中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤，28日通過視訊在上海交通大學李政道研究所與會發言，“特别向小李教授、小劉教授表示祝賀。”整整10年前，正是他領銜的實驗團隊首次觀察到“整數量子反常霍爾效應”，這一研究成果也榮獲了2018年國家自然科學一等獎。
李所“天問”長卷
2023諾獎季之前，面對薛其坤、謝心澄、封東來以及張傑等本校和外校多位院士，上海交大一對30多歲的青年教師夫婦李聽昕、劉曉雪團隊，當天下午在李所釋出了“分數量子反常霍爾效應”重大成果。其中，“李政道學者”劉曉雪為1990年生人，也是一位寶寶不足百日的新媽媽，主要負責實驗器件設計與制備等。
李聽昕、劉曉雪夫婦
他們“複合”兩大諾獎發現，開展實驗實體研究，得到國際頂刊審稿人高度評價，認為是在領域内的突破性進展，且原創的新型器件制備方法為後續一系列研究鋪平了道路。據悉，該項研究開啟了零磁場條件下研究分數電荷激發、任意子統計等新奇物性的大門，為拓撲量子計算等研究提供了新的可能與機遇。
【确鑿證據全找到，用了144年之久】
事實上，從霍爾效應到量子霍爾效應再到量子反常霍爾效應，它們的理論預見與實驗證據，曆經144年之久才都找到了确切的答案。這次中國領銜的相關論文發表27日首發在《實體學評論》（Physical Review X）上，并被編輯重點推薦；《自然》（Nature）同日出版的評論文章也是“高亮報道”，認為兩項研究工作為分數量子反常霍爾效應提供了确定性的證據。
美國科學家霍爾（Edwin Hall）在1879年研究金屬的導電機制時發現，給一塊導體施加電流和一個垂直于電流方向的磁場，産生了“霍爾電壓”，該效應被稱為霍爾效應。根據霍爾效應原理制成的霍爾傳感器，在速度傳感等方面至今應用廣泛。
1980年初，德國實體學家K. von Klitzing在研究二維電子系統的霍爾電阻時，發現極低溫和強磁場的極端條件下，樣品的霍爾電阻出現了一系列量子化的平台，并且縱向電阻會相應呈現出零電阻态。這一現象被稱之為整數量子霍爾效應。
後來，理論實體學家意識到，必須要利用數學中的拓撲理論，将拓撲的概念引入實體研究，才能完整了解整數量子霍爾效應，由此開啟了拓撲實體研究時代。整數量子霍爾效應，也成為人類發現的第一種拓撲量子物态。
通常，真空中的電子總是帶整數的電荷數，不可能出現帶分數的電荷；而交大實體與天文學院副教授李聽昕比方說，在後來驚人發現的分數量子霍爾效應中，一個電子可以分裂成三份，每個都帶着1/3電荷。可以說，分數量子霍爾效應是本質上不同于整數量子霍爾效應的強關聯量子物态，是一種奇異的量子流體，成為拓撲量子計算的重要候選方案之一。
然而，有正常效應，就可能有反常效應。美國理論實體學家D. Haldane在1988年計算得出：可以出現零磁場下的整數量子霍爾效應，後來被稱作：量子反常霍爾效應。這一理論工作也是他榮獲2016年諾貝爾實體學獎的代表性工作之一。至此，量子霍爾效應先後獲得了3次諾獎。
李聽昕作報告
【“疊加”諾獎二維材料，特殊“魔角”觀測】
令人期待又遺憾的是，量子反常霍爾效應在之後20餘年的時間内一直未能獲得實驗實作。直到2013年，才由大陸科學家薛其坤院士領銜的實驗團隊在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜當中首次證明。
那麼，能否真的實作零磁場條件下的分數量子霍爾效應，即分數量子反常霍爾效應呢？2011年時，先後5篇獨立發表的理論研究工作，從不同角度肯定了分數量子反常霍爾效應存在的可能性。但人們一直沒有找到能夠實作這種量子反常霍爾效應的材料系統，直到二維材料“莫爾超晶格”的出現才為這一問題解決帶來新機遇。
對此，李聽昕告訴解放日報·上觀新聞記者，最有代表性的具有層狀結構的二維材料就是石墨，它是一層層的碳原子構成的。近年來，兩位英國科學家第一次得到了單原子層的石墨烯，獲得2010年諾貝爾實體學獎。
比諾獎發現更有趣的是，當把兩層石墨烯放在一起，但并不對齊，轉開一個特定角度，便出現新的周期性結構，稱之為“魔角石墨烯”，也可以說是莫爾超晶格。帶有“魔角”的莫爾超晶格體系，在零磁場下展現出許多普通石墨烯不存在的性質。其中，就包括觀測到了整數量子反常霍爾效應。
通過交大微納加工公共平台的設計和制備，他們基于二維層狀材料莫爾超晶格系統，鎖定了半導體材料——二碲化钼MoTe2這一實驗體系。劉曉雪介紹，它們上下層面呈現約4度轉角，一層厚度隻有一張紙的十萬分之一。于是，李聽昕、劉曉雪團隊的實驗與美國田納西大學張陽團隊的理論“疊加”合作，在分數量子反常霍爾效應研究方面取得了此次突破性進展。
國際期刊頁面
在這一新型轉角材料的莫爾超晶格器件上，他們通過開展電學輸運實驗，直接觀測到分數量子反常霍爾效應存在的确鑿證據。該工作成為國際上同期兩個獨立實驗工作之一，另一實驗工作由美國華盛頓大學Xiaodong Xu研究團隊完成，也是同一周之内在國際上線上發表。
題圖來源：徐瑞哲 攝 圖檔來源：徐瑞哲 攝
題圖說明：李政道研究所 來源：作者：徐瑞哲