国家最高科学技术奖诞生最年轻获奖人，杨振宁称其工作为“诺贝尔物理奖级别”

一

这期间的发展非常快。斯坦福大学著名华裔实验物理学家沈志勋的学生陈宇林在《科学》上发表文章，验证了拓扑绝缘体领域非常有名的狄拉克圆锥的结构。拓扑绝缘体电子的动量和能量呈线性关系（以前所有的半导体材料都呈抛物线关系），在三维上呈现出圆锥的形状。斯坦福大学著名的晶体生长专家费舍尔教授帮助沈志勋、陈宇林“长出”这个化合物的材料，看到了清晰漂亮的圆锥结构；普林斯顿的哈桑与化学系同事卡瓦（Cava）合作，在实验中也看到了非常漂亮的圆锥结构。拓扑绝缘体这个概念刚刚在理论上提出，就通过实验开始得到验证，而且实验结果非常有趣，所以马上变成了物理学尤其是凝聚态物理中非常重要的研究方向，发表的文章基本都是《科学》、《自然》这一级别的。

不过，尽管这些实验看到了狄拉克圆锥和拓扑的有关信号，但它们所使用的材料质量并不高，还有很多缺陷，这些缺陷造成材料本身是导电的。既然能导电，何谈“绝缘”呢？所以，当时制约该领域发展的瓶颈问题就是最基本的材料问题。

要想让材料做到绝缘，并不那么容易。首先我们需要找到一个高纯的单晶材料，其中由于杂质造成的不必要的电子浓度要小于1017cm-3 ，而材料的基本阿伏伽德罗常数——原子密度是1023cm-3，也就是说100万个原子中最多允许有一个杂质，这显然非常苛刻。普林斯顿的卡瓦和斯坦福的费舍尔都是单晶材料生长方面的世界顶级专家，他们用传统的晶体生长方法做不到绝缘，不是因为水平不高，而是因为这样的材料本身非常难找。以氧化锌为例，已经“吆喝”20多年了，但实验上还是没能把它做成绝缘体。

 

既然两位顶尖专家用传统的晶体生长方法没能成功，我们要突破这个难关，就得在实验技术和方法上寻找新的切入点。做实验的首要条件是技术精湛、设备先进，我从回国后一直致力于精密实验技术的发展，2007年我们又搭建了MBE-STM-ARPES联合系统，这个联合系统对材料生长的控制和结构表征达到了原子水平。我用分子束外延（MBE）技术研究砷化镓（GaAs）这类化合物半导体，有十几年充分的积累。砷化镓是由一个金属加上砷的分子合成的，而如果用金属铋硒合成Bi2Se3，从两个材料四种元素的基本性质来看，其分子束外延的生长动力学应该非常类似，对我们来说不难做到。

图10 MBE生长动力学研究。

图11 原子级平整的Bi2Te3薄膜。

图12 实验上原位验证狄拉克圆锥形的电子结构。

MBE生长动力学的掌握，使我们解决了材料这个非常重要的起始性问题。这为我们的后续研究奠定了最关键的基础，也为我们团队在拓扑绝缘体这个新兴而有趣的领域里奠定了国际学术地位。从2010年到2013年，团队成员连续4年在美国物理学会年会这个全球物理学界规模最大的会议上作邀请报告，说明我们在拓扑绝缘体领域的薄膜材料及其表征方面已经有了非常好的基础。正在此时，拓扑绝缘体理论的开创者之一张首晟教授与香港大学物理系主任张富春教授于2009年6月组织了拓扑绝缘体领域的国际前沿研讨会，听说我们的进展后，邀请我前去作报告。张首晟本人也在2009年成为清华的教授。我们以前就非常熟悉，由此更建立了理论与实验紧密合作、非常友好的兄弟般的关系。

三

图13 原子级平整的FeSe超导薄膜。

尽管拓扑绝缘体的研究已经持续多年，但在我们的工作成功之前，相关领域还不曾出现过一个非常重要的物理效应发现。如果这种情况持续下去，包括我们在内、国际上许多在这方面一无所获的物理学家可能都要打退堂鼓了。所以能否观测到新奇的物理效应实际上决定着这个领域的发展。

在新奇物理效应的探索方面，我们分了三个不同的组。一个组探索实现量子反常霍尔效应，何珂、王亚愚是这个组中年轻而优秀的先头兵，我和马旭村在后面做监督；另一个组研究马约拉纳（Majorana）费米子，它的粒子等于它的反粒子，这个如果能在拓扑效应中看到也很有意思，贾金锋在上海交大做了相关工作；最后，我和陈曦还做了一些其他方面的研究，如磁单极的研究等。

早在1988年，美国普林斯顿大学的霍尔丹（F. D. M. Haldane）就预期了没有磁场的量子霍尔效应。拓扑绝缘体领域出现之后，张首晟、日本学者永长直人（Nagaosa）和华人学者牛谦等都预期了如何由拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应。其中，有种理论预言认为用拓扑绝缘体原始材料再加上磁性材料掺杂，使它变得有磁性，不就可以实现量子化的反常霍尔效应了吗？2006年，清华校友祁晓亮和导师张首晟论证了在拓扑绝缘体表面加磁性可以产生量子反常霍尔效应。后来，刘朝星、祁晓亮、戴希、方忠、张首晟提出在Hg1-yMnyTe中可能实现量子反常霍尔效应的观点。2010年初，李润中、王靖、祁晓亮、张首晟提出我在前文中提到的Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃等化合物的磁性掺杂从理论上来讲也是可以的。更近一步的是，在磁性掺杂理论基础上，戴希、方忠、张首晟认为如果将某类材料做成薄膜的话，就会产生量子反常霍尔效应。因为我们在对这类材料的研究方面有非常好的基础，所以马上以此为对象开展了相关实验。美国麻省理工学院、斯坦福大学，日本东京大学，德国维尔茨堡大学等高校都有进行同类实验的研究组，但迄今为止除了我们，没有一个组能实现真正量子化的反常霍尔效应。

这个实验的难度究竟有多大呢？先讲材料要求上的难度。量子反常霍尔效应的实现对材料的要求有三点：（1）材料必须具有铁磁性从而存在反常霍尔效应；（2）既然是磁性的拓扑绝缘体，即使加了磁性以后，材料必须还是绝缘的，也就是体内电子对导电没有任何贡献；（3）材料的电子结构必须具有拓扑特性——实现“电子高速公路”的一维导电通道。关于这三点，王亚愚有个生动的比喻：就像一个人，既要有短跑运动员的速度，又要有篮球运动员的高度，还要加上体操运动员的灵巧。一个人同时做到这三点很不容易，就相当于我们对材料提出了几乎不可能实现的苛刻要求。把材料做到具有铁磁性从物理上讲很容易，可以多掺一点铁、镍。但一旦有铁磁性之后，它就很难绝缘了。之前讲过，两个顶尖专家的实验表明，一个两元的化合物都很难绝缘，如果加上铁、钴、镍这样的磁性材料，就更难做到绝缘了，所以第二点几乎是不可能实现的。第三点，磁性掺多了会破坏铁磁特性，掺少了又不形成拓扑特性，因此掌握“火候”也不是很容易。

 

我们最后实现量子反常霍尔效应的材料是Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te_3，即使对学化学的人来说，这也是一个非常复杂的分子式，何况我们是做物理的。如果一开始有人预期说Bi₂Te₃、Sb₂Te₃和Cr的化合物会出现量子反常霍尔效应，我也许一看就觉得不可能，不会往下做。但是我们从最基本的材料开始，一步一步走下去，竟然就找到了这样一个非常复杂的材料。

SAIXIANSHENG

材料质量上的重大挑战

之前我谈到了《科学》杂志发表文章中的两元化合物Bi₂Te_3，斯坦福大学的费舍尔为了制作这个样品，把高纯度的锑与碲在石英管中均匀混合，石英管在700℃的温度下加热两个小时，再花4天时间降到475℃。让两种材料均匀反应并加上前期准备实验的话，做一个样品的全过程需要5天时间，但它还是导电的。这么顶尖的专家都做不到，只能说明这个材料确实很难发现。普林斯顿大学的卡瓦制备Bi2Se3，是把高纯度的铋Bi和硒Se均匀混合，在石英管中加热到850℃，再用两天时间降到650℃，保温一周，整个实验需要10天，依然导电。东京大学的十仓好纪（Yoshinori Tokura）也是非常优秀的物理学家，他所在的团队也是在铋和碲方面做，将高纯原材料均匀混合，在石英管中加热两天，温度为800℃，用一周缓慢降温生长单晶，也需要10天，同样是导电的。因此，这不是一项简单的工作。

 

图15 整个实验室一个非常有机的合作过程。

我们寻找的方式和他们不一样，效率也更高些。何珂用MBE-STM-ARPES联合系统加上王亚愚的霍尔效应（Hall effect）输运系统，两台机器一起合作， 从2010年1月开始尝试实现量子反常霍尔效应。我们的目标是h/e2 = 25812.807557 Ω（量子霍尔电阻ρxy）。它绝缘，而且也应该是量子化的。我们用分子束外延（MBE）技术进行磁性掺杂，用扫描隧道显微镜（STM）进行表面形貌测量，看它是否均匀，然后用角分辨光电子能谱（ARPES）分析其电子结构，之后要把5纳米的薄膜安全地保护起来，再进行电输运、磁性测量，一个周期下来要两三天，有时测量需要24个小时甚至48小时。由此我们开始了一个非常有机的合作过程。（图15）

四

 

 

我们的历程非常艰辛，但是也充满了激动。尽管我们有非常好的仪器，但仍然要非常努力地工作，而且遇到困难时要有信心，坚持不懈很重要，勤奋很重要，精诚的合作也很重要。 

由于我国经济社会的全面发展和国家对基础研究的日益重视，使我们有足够的实力在过去一二十年中发展精密的实验技术。正是因为有了这样精密的实验技术，我们才有能力挑战世界上最有难度的实验，所以国家的发展与我们科研工作的前途是紧密联系在一起的。