薛其坤团队领衔发现单原子层的超导体
《物理与工程》2010年总目次
马 书云 吴 王 杰 汪
峰 章 曦 李 配 军（ ） ３
确 定原 子 基态 的简 便 方 法
… … … … … …… 曾永 志 陆 培 民 （ ） ３
用 复 势 函 数计 算 特 殊 边 界 形 状 的 静态 场 问题 ・ …… ・ 贾 秀敏 （ ） ４ 统 计平 衡 状 态 下 扭 秤 热 噪 声 对 引 力实 验 的限 制 … … … … …
频 张 建 国 （ ） ５
数 字 化物 理 教 学 的 设 计 与 实践 —— 大 学 物 理 教 学 设 计
之三 … … … … … … … … …… 吴 天 刚 倪 忠 强 昊 於 人 （ ） ２
参 照物 每 受 一 个 力 ， 研 究 物 体必 相 伴 受 一 个 惯 性 力 被
— —
由接 地 导 体 限定 的无 限深 槽 内线 电 荷 的 电场
干 涉 和 衍 射 的联 系与 区别
……・ 王 福谦 （ １）
… ・ … … … … … … … 宋 菲 君 （ ） … １
…・ ……………・ ・ ・ 吕太 国 （） … … … １
柯 尼 希 定 理运 用 于两 体 问 题 的 讨 论
………… 王艳辉（） ２
… … … … 清 华 大 学 物理 系 宣 传 部 （ ） ５
圆 电流 中导 体 的 磁 悬 浮 效应 研 究
・ … … … … … … … … … … … ・ ・
杜 永 胜 张 红 霞 张 雪 峰 （ ２）
对 培 养 一 流 拔 尖创 新 人 才 的思 考
同一 设 计性 实 验两 种 教 学 模 式 的 探 索 与 实践
… … … … … … … …
代 国 红 李兴 鳌
薛其坤：攻克量子世界制高点
薛其坤：攻克量子世界制高点作者：暂无来源：《发明与创新·大科技》 2013年第6期黄昉苨尽管“贵”为清华大学物理系主任，在两个月前的清华校园，薛其坤还不是一个多么引人注意的角色。
不止一个见过他的人表示，几乎听不懂这位中科院院士与别人随口说起的科研内容。
而事实上，他即将开启一个全新的时代。
4月9日，由他领导的来自清华大学、中国科学院物理所与斯坦福大学的科学家们组成的团队宣布，他们从实验中观测到了量子反常霍尔效应。
而这一发现甚至令年过九旬的诺奖得主杨振宁都激动了：“这是一个诺贝尔奖级的成果。
”对普通人而言，“量子反常霍尔效应”不仅是一个让人云里雾里的科学名词，还意味着某种科幻般的未来生活：若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，智能手机内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，除了超长待机时间，还将拥有当代人无法想象的快速。
薛其坤团队的最新发现，在科学家眼中是一个极为美妙的现象。
在摆满仪器设备的实验室，清华大学物理系教授王亚愚试图通过一种通俗易懂的方式向外界解释他们的研究。
他手持的笔记本电脑屏幕上播放着动画：一个透明的长方体物件内，许多玫红色小颗粒正在横冲直撞。
“如果这是一个一般的金属材料或者半导体材料，那里面的电子运动是非常无序的。
它们杂乱无章，互相碰撞，这就引起电子器件的速度降低，而且会使能耗增大。
”譬如，尽管有风扇“呼啦呼啦”地吹，工作多时的笔记本电脑却还是热得烫手，反应缓慢得像老牛爬坡。
但这些粒子可以被科学家们“管”起来，顺着一定规律在材料内老老实实地“排队跑步”。
“如果我们在材料上加一个非常强的磁场，电子运动就变得有规律了——它们在材料的两端，像高速公路上的汽车一样，这么反向运动，这时候，电子运动速度就变快了。
”王亚愚解释说。
在上世纪80年代，这种量子霍尔效应被德国物理学家冯·克利青在研究极低温度和强磁场中的半导体时偶然发现。
这一成果让他获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
霍尔效应的发现及其意义
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald85霍尔效应作为一种磁电效应，它是1879年由美国物理学家霍尔发现并以此命名的，在其后的2年内又事实上发现了反常霍尔效应。
由于半导体材料的霍尔效应比较明显，因此现在有各种各样的用半导体材料制成的霍尔元器件，使得霍尔效应的应用非常广泛。
在近代，由于新型半导体材料（如超宽禁带半导体）和低维物理的发展（如石墨烯技术）、新的极端物理条件（如超低温度和超强磁场等的应用）,使得凝聚态体系（特别是低维凝聚态体系）中的磁现象研究取得了许多突破性的进展。
例如德国物理学家冯·克利青在研究硅场效应管霍尔电阻时发现了量子霍尔效应；美籍华裔物理学家崔琦等在研究二维电子系统时发现了分数量子霍尔效应；2013年3月14日，美国《科学》杂志在线发表了关于首次观测到量子反常霍尔效应的成果，这是由我国清华大学薛其坤院士领衔组成的中外科学家团队，在中国实验室做出的一项重要科学发现[1]，这次发现意义十分重要，使超低能耗的高速电子器件的大规模使用成为可能，杨振宁教授认为，这是“诺贝尔奖级的成果”。
霍尔效应及反常霍尔效应后续的理论与应用研究仍是今后的重点和热点,该文拟重点回顾发现霍尔效应的历程，旨在从中发现霍尔能够成功的原因，并简要回顾反常霍尔效应理论机制的研究历程，以便更好地理解发现霍尔效应的重要意义。
1 霍尔效应的发现1875年霍尔毕业于美国鲍登学院，从事教学2年后，去了霍普斯金大学研究生院，随罗兰教授学习物理学，在阅读麦克斯韦《电和磁》一书时，对麦克斯韦“在磁场中的通电导体受到的机械力不是作用于电流上的，而是作用在导体上的”观点提出了质疑。
他的理由有3点：一是只有通电的导体才有作用力，而不通电的导体是没有的；二是作用力的大小与电流大小成正比，作用力的方向与电流流向有关系；三是作用力的大小与导体的尺寸和材料无关。
他感到“磁场对通电导体的机械力是作用在电流上的”。
创建技术平台 发展西部科技——记陕西师范大学物理学与信息技术学院教授潘明虎
创新之路Way of Innovation 潘明虎和博士后导师薛其坤院士等合影（左1为苏州大学李青教授，左2为薛其坤院士，左3为天津大学马丽颖副教授）新材料的探索以及相关凝聚态物理的研究，是催生技术革命和产业化飞跃发展的重要催化剂。
半导体物理和硅材料的研究导致了上一次工业革命，促进了计算机产业和信息产业的飞速发展，对人类的科技进步产生了无法估量的重大影响。
如今，新型的二维碳基材料——石墨烯，同样在国际上催生了一股研究二维电子材料的热潮。
历任橡树岭国家实验室纳米相材料与科学中心研究员、华中科技大学物理学院教授等职位的陕西师范大学物理学与信息技术学院教授潘明虎，长年深扎石墨烯等二维材料、强关联过渡金属氧化物和纳院院士E.W.Plummer等建立了长期的科研合作关系。
潘明虎用常压化学气相沉积法制备的高质量的单层氮掺杂的石墨烯，发现和确认了一种独特的双氮掺杂构型，在国际上首次展示了通过增强拉曼散射信号，氮掺杂石墨烯可以用来有效地探测有机分子。
他还首次成功地观察和测量了化学气相沉积法制备的石墨烯纳米带的边缘结构和边缘电子态，石墨烯纳米带的边缘结构缺陷可以极大地影响和改变边缘电子结构。
他的研究从实验和理论上证实了边缘上的缺陷结构会引起边缘电子态的自旋极化。
不止于此，在化学气相沉积法制备的石墨烯中，潘明虎引入化学吸附的硼原子，可以诱导产生局域自旋磁矩，并通过扫描隧道显微镜，在原子尺度上测量出局域自旋态，观察到了局域自旋在石墨烯中的分布、叠加等现象。
由于缺乏能带带隙，石墨烯制成的场效应管（F E T）只有很低的开关比。
尽管在石墨烯中可以通过各种方法形成能隙，比如制成石墨烯纳米结构，采用化学功能团改性，或是给石墨烯双层膜施加高电场。
然而，这些方法会导致严重的迁移率退化或需要非常高的偏置电压。
另一方面，石墨烯是不太可能产生磁性的。
尽管理论预测在石墨烯的边缘、畴界、点缺陷如空位可以产生磁矩，然而一直缺乏有效的实验证据，这使得石墨烯在磁电子学（自旋电子学）领域无法应用。
超导材料研究毕业论文
第三章 超导微观机制 ...................................................... 7 3.1 超导特性 ......................................................... 7 3.1.1 零电阻效应 ................................................. 7 3.1.2 迈斯纳效应 ................................................. 7 3.1.3 约瑟夫森效应 ............................................... 8 3.2 超导的三个临界参量 ............................................... 9 3.2.1 超导材料的临界温度 ......................................... 9 3.2.2 超导材料的临界磁场 ........................................ 11 3.2.3 超导材料的临界电流 ........................................ 11 3.3 低温超导的微观机制 .............................................. 12 3.3.1 二流体模型 ................................................ 12 3.3.2 同位素效应 ................................................ 12 3.3.3 库珀对 .................................................... 13 3.3.4 BCS 理论 ............................................
百万美金大奖花落薛其坤，其分子束外延生长技术在单原子水平上精确构建量子世界
百万美金大奖花落薛其坤，其分子束外延生长技术在单原子水平上精确构建量子世界导读今日（9月19日）下午，首届“未来科学大奖”揭晓，其中的“物质科学奖”由中国科学院院士、清华大学物理系教授、清华大学副校长薛其坤获得。
该奖由“未来论坛”发起设立，是中国首个民间科学奖项，单项奖金高达100万美元。
薛其坤2013带领研究团队在国际上首次从实验上观测到量子反常霍尔效应。
近几年来，薛其坤团队首次把分子束外延技术用于铁基高温超导研究，发现了一类全新的低维高温超导体系，使界面超导成为高温超导领域的全新研究热点。
这也是薛其坤获得今日大奖的理由。
分子束外延生长技术发展于上世纪六、七十年代，是一种可以在原子尺度上精确设计和控制量子材料的强大武器。
近年来，它不仅被广泛应用于各种前沿研究，更是全方位地改变了人类生活。
《赛先生》于今之际特别推出薛其坤教授的科普文章，请他带我们一探分子束外延生长的奥秘。
撰文薛其坤编辑秋水“东家之子，增之一分则太长，减之一分则太短，着粉则太白，施朱则太赤”，这是两千多年前楚国小鲜肉宋玉在《登徒子好色赋》中对一个东方美女的经典描绘。
如今，借助高科技电脑合成技术，科学家向我们呈现了这样一副完美的东方面孔（图1）。
图1，电脑合成的完美的东方女性面孔古往今来，对于美好事物的追逐和精益求精是人类得以繁衍生息的驱动力。
人们常说，差之毫厘，谬之千里。
新型量子材料性质的改变可以说是发生在原子级的尺度上，也就是“毫厘”的百万甚至千万分之一！因此，在纳米甚至原子尺度上精确设计和控制量子材料就成为现代科学研究最关键的技术之一。
发展于上世纪六、七十年代的分子束外延（Molecular beam epitaxy, MBE）生长技术就是这样一个可以从原子（构成物质的最小单元）层面构建量子世界的强大武器，其对材料的控制能力完全达到了宋玉对东方美女所描绘的那种意境。
1968年，美国贝尔实验室的J. R. Arthur 和A. Y. Cho（卓以和）在超高真空中研究Ga 与As2 在GaAs 晶体的表面吸附时意外发现，Ga 原子的存在会促进As 在表面的吸附。
基础凝聚态物理研究的新成果
基础凝聚态物理研究的新成果凝聚态物理是研究各种物质的宏观性质的一门学科，其中包括晶体、薄膜、液晶、玻璃、高温超导等。
它主要研究物质内部的原子、分子、电子等微观粒子，以及它们之间的相互作用，由此推导出宏观物性。
近年来，凝聚态物理领域一直处于高科技发展前沿，最新研究成果不断涌现。
本文将通过几个方面，介绍最新的凝聚态物理研究成果。
超导体的发现最近的一个有趣的发现是，钝化玻璃转变成超导体。
研究人员发现，将金属氧化物钇镁铜氧（YBCO）放入通过玻璃块的电容器中，电容器内的钝化玻璃会转变成具有超导特性的材料。
这项发现解开了一项长期争议，即金属氧化物超导体中是否存在驻波。
聚合物电子学研究人员开发了一种全新的可塑性构象的有机半导体，这种有机半导体能够实现高效的光电转换。
聚合物电子学在这一领域展示了巨大的潜力，目前研究的核心在于如何通过适当的分子结构和制造工艺来控制有机分子的几何构型和电性质。
有机分子材料通常具有可调制的电性质，优秀的可加工性，可以制造成复杂的形状，以及成本低廉的优点，因此被广泛应用于制备有机电子器件。
低维电子学低维电子学逐渐成为凝聚态物理领域的热门研究方向之一。
一个有趣的案例是，钻石纳米线材料的锂离子电池具有十分出色的性能。
研究表明，钻石纳米线与其异质结在锂离子电池中的使用产生了十分显著的协同作用。
实验表明，钻石纳米线能够通过引入较强的空位和断键来促进锂的嵌入和脱出，达到高容量和高速率的储能效果。
量子信息量子计算、量子信息科学目前是凝聚态物理领域中的重点研究方向之一。
量子计算利用量子力学原理的波粒二象性，来处理和储存信息。
该领域的最新成果之一是，在石墨烯材料的带隙中，狄拉克费米子出现了一种全新的形式，属于一种孤立的单体，它非常稳定。
这个孤立单体可以覆盖石墨烯薄膜上的全部电子能量。
石墨烯不仅是一种极其稀有的二维材料，而且有着独特的电子结构和良好的导电性、热导性和机械强度，因此可以应用于制造超薄太阳能电池和可折叠电子设备。
获颁巴克利奖的中国科学院院士薛其坤
获颁巴克利奖的中国科学院院士薛其坤获得求是杰出科学家奖；2016年获得未来科学大奖物质科学奖；2017年被评为2016年度最具影响力的十大“科技创新人物”；2017年任北京量子信息科学研究院院长；2019年入选“中国海归70年70人”榜单；2020年获得菲列兹·伦敦奖、北京市突出贡献中关村奖、复旦—中植科学奖。
接受媒体采访时,薛其坤自喻为“一艘从沂蒙山区驶出的小船”。
作为山大校友,他还常常是“山大故事”的主角。
薛其坤院士的主要研究项目等国家级和省部级重点项目14项。
获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步一等奖5项等荣誉。
获国家发明专利侯凡凡谦逊地说：“中国慢性肾脏病患者数约为1.3亿，肾脏病人数在全球位居前列。
我定当全力以赴，为降低肾脏而拼搏！”方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性以及各种表面分析手段研究各属、半导体表面晶体结构、化学性质、异/同质结薄膜外延和低维纳米结构的生长动力学和控制。
研究兴趣包括稀磁半导体的分子束外延生长和自旋注入、低维纳米结构的磁性和在自旋电子学中的应用、量子效应对低维纳米结构电子性质的影响（比如催化）等。
截至2011年，薛其坤获国家自然科学二等奖、北京市科学技术一※文/卞文志21演讲等奖和中国青年科技奖等奖项。
2012年12月，薛其坤团队在真实材料中发现了量子反常霍尔效应。
这是新中国成立以来由我国科学家发现的重要科学效应之一。
若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，手机和电脑的内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，可以几个月不充电，且使用中不会发热，不会速度变慢。
这项研究成果为未来信息技术革命提供了全新的原理，使我们能做出低能耗晶体管和电子元器件，还可以用它和超导一起去做量子计算机，科幻电影中的强人工智能就可能真正地在现实生活中实现。
2013年，薛其坤带领他的研究团队，在国际上首次实现了“量子反常霍尔效应”。
量子
量子作者：原溱高东广来源：《祖国》2019年第05期2019年1月8日，国家科学技术奖励大会在北京隆重举行，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席并为最高奖获得者颁奖，之后与大家合影留念。
大家注意到，今年评选出国家自然科学最高奖一等奖1项，是由薛其坤院士团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”。
“量子反常霍尔效应的实验发现”何以获得如此高的奖项？在凝聚态物理领域，量子霍尔效应是极为重要的研究方向。
量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。
在零磁场中就可以实现量子霍尔态，很容易应用到日常的电子器件中。
上个世纪1988年以来，不断有物理学家提出各种方案，却在实验上没有取得进展。
2013年，由清华大学薛其坤院士主持，清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。
美国《科学》杂志于2013年3月14日发表了这一最新研究成果。
量子是研究微观粒子世界的量子力学中十分重要的物理概念。
说起量子，大家会认为：量子与分子、原子、中子、电子一样，也是组成物质的基本粒子，但实际上量子与分子、原子等微观粒子不是一个概念，微观世界中的量子是何物？量子——微观世界的“黑马”量子，又称能量子。
顾名思义，就是能量的最小单位。
量子由何而来呢？这个重要的现代物理概念，是1900年由德国物理学家普朗克提出的。
1900年，普朗克在研究黑体中能量发射与接收时遇到了难解之题：当使用伽利略与牛顿建立的物理体系，也就是假设能量是连续不断传递时，不能解释黑体能量辐射问题。
他认为只有假定：能量在发射和吸收时，并非连续不断，而是若干一份一份、存在最小单位的时候，很多物理现象才能解释得通。
普朗克假定的能量必须是一份一份、并存在最小单位。
这一假定在当时物理权威界被认为是“一种疯狂”。
众所周知，能量是连续而不间断的传播，成为物理学界的一个“真理”。
如同，火车沿直线由北京经保定到石家庄，如果有人说：火车从北京行驶到石家庄，但却不经两站之间的保定站，那么大家一定会觉得不可思议。
北京专用2019版高考物理一轮复习检测：第十一章磁场第4讲带电粒子在复合场中运动的实际应用 Word版含答案
第4讲带电粒子在复合场中运动的实际应用基础巩固1、(2017北京东城一模,18)如图所示是磁流体发电机的示意图,两平行金属板P、Q之间有一个很强的磁场。
一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负带电粒子)沿垂直于磁场的方向喷入磁场。
把P、Q与电阻R相连接。
下列说法正确的是( )A、Q板的电势高于P板的电势B、R中有由b向a方向的电流C、若只改变磁场强弱,R中电流保持不变D、若只增大粒子入射速度,R中电流增大2、(2017北京朝阳二模,20)2016年诺贝尔物理学奖颁发给了三位美国科学家,以表彰他们将拓扑概念应用于物理研究所做的贡献。
我们知道,按导电性能不同传统材料大致可分为导体和绝缘体两类,而拓扑绝缘体性质独特,它是一种边界上导电、体内绝缘的新型量子材料。
例如,在通常条件下石墨烯正常导电,但在温度极低、外加强磁场的情况下,其电导率(即电阻率的倒数)突然不能连续改变,而是成倍变化,此即量子霍尔效应(关于霍尔效应,可见下文注释)。
在这种情况下,电流只会流经石墨烯边缘,其内部绝缘,导电过程不会发热,石墨烯变身为拓扑绝缘体。
但由于产生量子霍尔效应需要极低温度和强磁场的条件,所以其低能耗的优点很难被推广应用。
2012年10月,由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队,首次在实验中发现了量子反常霍尔效应,被称为中国“诺贝尔奖级的发现”。
量子反常霍尔效应不需要外加强磁场,所需磁场由材料本身的自发磁化产生。
这一发现使得拓扑绝缘材料在电子器件中的广泛应用成为可能。
注释:霍尔效应是指将载流导体放在匀强磁场中,当磁场方向与电流方向垂直时,导体将在与磁场、电流垂直的方向上形成电势差。
根据以上材料推断,下列说法错误．．的是( )A、拓扑绝缘体导电时具有量子化的特征B、霍尔效应与运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力有关C、在量子反常霍尔效应中运动电荷不再受磁场的作用D、若将拓扑绝缘材料制成电脑芯片有望解决其工作时的发热问题3、(2017北京丰台二模,17)如图所示,两平行金属板P、Q水平放置,上极板带正电,下极板带负电;板间存在匀强电场和匀强磁场(图中未画出)。
科技改变生活改变世界
比特币
比特币是一种由开源的P2P软件产生的电 子货币，是一种网络虚拟货币。它通过 特定算法的大量计算产生，它不属于任 何国家和金融机构，不依靠特定货币机 构发行，并且不受地域限制，可以在世 界上的任何地方兑换它。
起源
2008年，有人用笔名中本聪发表了一篇论文，论文中描述了比特币的使用方法。
去中心化
用触控和语音手势控制眼镜
谷歌眼镜的交互依赖语音手势和触控Байду номын сангаас “OK，GLASS”就是最典型的启 动操作语音。
第一视角解放双手式的随时拍照摄像
随时拍照、摄像也是智能眼镜的基本功能，所见即所得，无需依赖惹人 注意的手机或相机终端作为拍照工具，将会彻底颠覆世界，每一个人的 眼镜都可能是照相机、摄像机。
3D打印
3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用 粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技 术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空 航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其 他领域都有所应用。
3D打印
背景
3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪 80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思 想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。
奇点大学
不像大学更像培训机构
它的培训项目短则几天，长则10周。在这么短的时间内，来自世界 各地的学生要向包括创始人科兹威尔在内的各领域著名专家学习未 来学、能源、空间、人工智能、生物技术等前沿科技，并运用这些 科技去解决包括卫生、能源、环境、贫困在内的世界性难题。为保 证前沿，奇点大学每次课程都会更改课程大纲。这也使得它不能成 为一所“有资质”颁发学位的大学。
2024届广西南宁市高三下学期第二次适应性测试理综物理核心考点试题(基础必刷)
2024届广西南宁市高三下学期第二次适应性测试理综物理核心考点试题（基础必刷）一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题车辆前进的阻力主要有三个：滚动阻力、空气阻力和上坡阻力，高铁的铁轨非常平缓，大部分时候都可以忽略上坡阻力，所以主要的阻力来源就是滚动阻力和空气阻力，滚动阻力与总重力成正比，空气阻力跟高铁运动的速度的二次方成正比，研究表明，当高铁以速度运行时，空气阻力占总阻力的约60％，人均百公里能耗约为2.0度电，当高铁以速度运行时，人均百公里能耗约为多少度电（ ）A．3.0B．3.5C．4.0D．4.5第(2)题如图所示，用小锤打击弹性金属片后，A球沿水平方向抛出，同时B球被松开，自由下落。
改变小球距地面的高度和打击的力度，重复这个实验，发现A、B两球总是同时落地。
若A、B两球质量相等，且将平抛运动沿水平和竖直两个方向分解。
下列说法不正确的是（ ）A．在同一次实验中，两球落地时重力的功率相等B．在同一次实验中，两球落地时动量的大小相等C．本实验可验证平抛运动在竖直方向上是自由落体运动D．在同一次实验中，两球在空中运动的过程中重力做功相等第(3)题在霍尔效应中，霍尔电压与通过导体的电流之比被定义为霍尔电阻，可用符号表示，通常情况下，霍尔电阻与外加磁场的磁感应强度成正比。
但在超低温、强磁场的极端条件下，某些材料的霍尔电阻却随着强磁场的增加出现量子化现象：h 是普朗克常数，e是电子的电量， v既可以取1、2、3…等整数，也可以取某些小于1的分数，这就是量子霍尔效应现象。
实验发现，当霍尔电阻处于量子态时，材料中的电子将沿边缘带做定向运动，几乎不受阻力作用。
2013年，清华大学薛其坤团队发现，在超低温（0.03K）环境条件下，具备特殊结构的拓补绝缘体材料可以自发地发生磁化，此时不需要外加磁场也会发生量子霍尔效应，这种现象被称为量子反常霍尔效应。
干货来了!听首届未来科学大奖-物质科学奖获奖人薛其坤讲神奇的量子世界
干货来了！听首届未来科学大奖-物质科学奖获奖人薛其坤讲神奇的量子世界今天，我给大家汇报的题目是“神奇的量子世界”，包括三个方面：首先，跟各位介绍一下量子世界的基本概念和我们研究量子世界所需要的基本工具；第二，以我这次获奖的主要成果和我们的研究历程，向大家展示一下量子世界的神奇和微妙；第三，给年轻人一点感想和做一些简单的展望。
我们每天生活的宏观世界大家都非常了解。
描述宏观世界经典物理学规律的基本规律就是牛顿力学，即牛顿的三大定律，最重要的是牛顿运动方程。
在经典世界还有一个电磁学的经典规律，就是欧姆定律。
导线中通过的电流与加在导线两端电压V成正比，与导线电阻成反比。
这个电阻会导致我们导线发热，发热的大小热量Q等于电流平方乘以电阻和用的时间T。
如果导线电阻越大消耗能量越多，所以我们一般会选择比较便宜的铜线。
金导电很好，电阻非常小，但是金很贵，都用来给女士们做戒指了。
但到了量子力界，牛顿运动方程不再起作用，而是波动方程起作用。
从连续的变化到量子的微观世界，我们很多的物理量，很多的操作器件用的参数都和经典的世界不一样，这时候会出现一系列奇妙的现象，甚至是诡异的现象。
第一个已经用到我们生活里的就是电子穿墙术。
这时电子的流动不再遵守欧姆定律。
这就像一个人，把我变成一个微观电子，我会穿过铜墙铁壁到外边去，而我这个人毫发无损，在量子力学上这叫电子的量子隧穿。
还有我们今天获奖的内容之一，量子霍尔效应、超导、超流。
1981年的时候，由瑞士两个科学家Binnig和Rohrer，利用电子量子隧穿发明了扫描隧道显微镜，五年之后的1986年他们获得了诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜STM给我们提供了一个强大观察微观世界最明亮的眼睛，我们可以看到原子。
想研究微观世界的量子世界必须有合适的工具，扫描隧道显微镜就是这样一个工具，而它依据的原理就是我刚才提到非常诡异的电子穿墙术。
我用的主要实验工具之一就是这个用到神秘的量子隧穿原理的扫描隧道显微镜。
薛其坤追梦圆梦量子反常霍尔效应
MASTER STYLE |大师风范大帅档案:薛其坤，1963年12月出生在山东临沂，理学博士，教授，中国科学院院士。
曾任清华大学物理 系副主任、清华大学理学院院长、清华大学副校长，北京量子信息科学研究院院长，现任南方科技大学校长。
主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理学、自旋电子学、拓扑量子物理和高温超导电性。
获 国家自然科学二等奖2项，获第三世界科学院物理奖、陈嘉庚數理科学奖、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖——物质科学奖、菲里兹•伦敦奖、全国创新争先奖章等奖励，他领衔的科研团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应，获2018年度国家自然科学一等奖。
薛其坤：追梦圆梦量子反常霍尔效应■文/吴紫露“天道酬勤，在所有错误都尝试过 之后，最后走向成功，这就是追求极致 的最大回报”。
一直以来，薛其坤都用 追求极致的严格标准来要求自己和学生，正是有了这种极限的努力、不断创 新的精神，才有了实验上首次量子反常 霍尔效应的发现。
少年立志：艰苦环境下成长起来的 物理学家1963年12月，薛其坤出生在山东 省临沂市沂蒙县一个贫寒的农村家庭。
家里孩子多，薛其坤是最有希望上大学 的那个，父母把所有的支持都给了他。
村里的学习条件简陋且艰苦，读书的课 桌是把大树劈开做成的，凳子是自己从 家里带去的。
他说，那时候他的期望就 是走出山区。
从课本上，薛其坤学到了 牛顿、爱因斯坦，并认识到成为一名科 学家能给社会带来巨大的福祉，于是他 朦朦胧胧地有了成为科学家的想法。
童 年吃的苦也磨练出薛其坤坚强的性格，使得他在科研中无论遇到什么样的困难，都没有轻言放弃。
成绩优秀的薛其坤顺利地从蒙阴一 中考入山东大学光学系激光专业。
1984 年大学毕业，他被分配到山东曲阜师范大学物理系^ 1987年9月，他又考入中国科学院物理研究所，成为凝聚态物理专业的一名研宄生。
“如果成为研宄生能够让我更接近成为科学家的崇高理想，那么为了这个崇高的目标，做出再大努力都值得。
薛其坤与他的量子世界
薛其坤与他的量子世界作者：马倩汪婷婷来源：《创新时代》2016年第03期2013年3月15日，《科学》杂志发表了一项震惊物理学界的成果—薛其坤领衔的团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应。
新闻发布会上，杨振宁的评价让人更加明白这项成果的分量。
“这让我想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，她第一次告诉我在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。
今天，薛其坤及其团队的实验成果，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
”有人说，如果没有“同时间赛跑”的执着，就没有这项科研成果。
“真是拼。
”清华大学物理系前主任朱邦芬院士如此感叹，“早上7点进实验室，晚上11点才离开，这样的作息时间，薛其坤已经坚持了20年。
”几乎所有认识薛其坤的人都知道他“7-11”的生活轨迹。
薛其坤沉浸于量子世界十余载，他既探索如何同量子世界交流，又保持同外界、学界的对话。
他说，实验室生活与其说是刻苦，不如说是忘我。
当中国科学院院士、清华大学副校长等光环笼罩着他，他更习惯学生叫他“薛老师”。
他说，科学发现没有第二，需要争分夺秒，没有退路。
他常说，“7-11”的生活不是谁都可以。
你若不能深入其中，这样的刻苦便是一种痛苦，最终会让人崩溃；你若进入了这个科学的世界，便能从中获得快乐，这样的坚持是一种享受。
2012年10月的一个晚上，薛其坤收到学生短信，他们在实验中发现了量子反常霍尔效应的迹象。
薛其坤立即组织团队人员，设计实验方案，部署实验细节，马上实施检测实验。
接下来几天的实验中，团队成员用“诚惶诚恐”形容当时的心情。
25800欧姆，所有人期待着这个标志性的数值。
数据不停地跳动着，15800、20000、25800！数据停住了！世界量子物理学将记住这一刻—在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应130多年后，人类终于实现了其量子化。
量子反常霍尔效应的特征性行为顺利得到验证：材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值并形成一个平台，同时纵向电阻急剧降低并趋近于零。
中国最接近诺贝尔物理学奖的一次发现
中国最接近诺贝尔物理学奖的一次发现2013年3月14日，美国《科学》杂志在线发布了一则轰动科学界的新闻：由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。
著名美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁甚至激情澎湃地宣称：“此次成果是从中国的实验室里，第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
”实验结果公布后，薛其坤曾应邀去日本作学术报告，日本科学家给他发来了邮件，称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告，我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”。
另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件，“看到你们的结果，我真感觉有些嫉妒。
但回过头想起来，这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止。
”如果说，以上都是个人发表的评论，有些主观，不够说服力，可以看看美国《科学》杂志的匿名评审给出的评价，“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。
我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。
”到底这个量子反常霍尔效应有多么神奇，引得众人围观并获得如此称赞，这还要从19世纪末说起。
1879年美国物理学家霍尔发现如果对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将产生偏转，这个电磁现象被称为“霍尔效应”。
霍尔效应是针对电子级别的一种微观粒子的物理现象，但值得注意的是，在当时，电子并没有被科学家发现。
①1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖，1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，获得1998年获得诺贝尔物理学奖。
综上，就知道杨振宁为什么对量子反常霍尔效应的发现如此震惊和不吝赞誉了。
量子霍尔效应不仅仅是高大上的理论，它跟我们的生活息息相关，尤其是现如今，各种各样五花八门的电器已经完全占据了我们的生活。
手机、电脑、电视，无所不在。
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京 ： 华 大 学 出 版 社 ，０ ６ ２ ３ 清 ２ ０ ． ６
者 ， 祖 国 培 养 出 世 界 级 的 学 术 大 师 ， 历 史 赋 予 为 是
［］ 叶企 孙 ． 理 学 系 概 况 ［ ． ： 华 大 学 史 料 选 编 （ 二 ２ 物 Ｍ３ 见 清 第
卷 ） 北 京 ： 华 大 学 出版 社 ， ９ ６ ３ ６ ． 清 １９ ． ９
研 究 人 员 首 次 得 到 在 这 个 物 理 学 界 最 有 影 响 力 的
时间里 ， 他们 致 力 于 超 高 真 空低 温 扫描 隧道 显 微 镜 （ ＴＭ） 原 子力 显 微 镜 和角 分 辨 光 电子 能 谱 等 Ｓ 、 实验 技术 的发展 ， 并将 Ｓ ＴＭ 隧 道谱 的稳定性 和 能
有 完 全 抗 磁 性 ． 导 是 自然 界 中 的 一 个 重 要 宏 观 超
这表 明尽 管这 些 薄膜 只有 一 个 原 子 层 的 厚度 ， 但 它们仍 然是 超 导 体 ． 这项 工 作 对 于拓 展 超 导 的研 究范 围 以 及 探 索 超 导 机 理 等具 有 非 常 重 要 的 意 义， 同时也 说 明 物 理 系 的研 究 人 员 在 原 子 水 平 上 控制 材料 的生长 以及 高灵 敏度 实 验技 术 的发展 等
薛其 坤 团队组 建于 ２０ ０ ６年 ． 过 去 ３年 多 的 在
《 理 评 论 快 报 》（ ｈ ｓபைடு நூலகம்ａ Ｒ ｖｅ ｅ— 物 Ｐ ｙｉ ｌ ｅ ｉ Ｌ ｔ ｃ ｗ
ｔｒ） 为 此 ， ｅｓ 上． 薛其 坤 院士 被 邀请 在 ２ １ ０ ０年 ３月 的美 国物理 学 会 年 会 上 作 报告 ． 是 近 年来 我 校 这
层薄 膜 中观 察 到 了 超 导 能 隙和 磁 通 涡 旋 的形 成．
“ 导体 到底可 以有 多 薄 ” 一 问题 的 明 确 答 案． 超 这
相 关 研 究 成 果 发 表 在 本 年 ２ 月 的 Ｎ ｔ ｒ ａｕ ｅ
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在降低 温度 时某 些 材 料 会 进 入 超 导 状 态 ， 人 们称 这类 材料为 超导 体． 超 导状 态 下 ， 在 材料 的直 流 电阻为零 ， 并且 其 内部不 允许 磁 力线 穿 过 ， 即具
Ｅ ３ 物 理 学 系 １ ３－ １３ ４ ９６ ９７年 度 的课 程 总 则 ［ ． ： 华 大 学 史 Ｍ］ 见 清
料 选 编 （ 二 卷 ）北 京 ： 第 ． 清华 大 学 出版 社 ，９ １ ３ ７ １ ９ ． ９
是一 种 能够得 到原 子级分 辨 （看 到 ” 子 ） “ 原 的实 验
手段 ， ２ 是 ０世 纪 最 重 要 的 发 明 之 一 ， 研 究 物 理 为
学、 化学 和材 料 科 学 中各 种 新奇 量 子现 象 提 供 了
一
中文大学 林海 青教 授 以及 美 国宾 州州 立 大 学刘 荧
教 授 等 合 作 ， 现 在 生 长 于 硅 衬 底 上 的 单 原 子 层 发
个 重要 工具 ． Ｔ 的发 明人 Ｂｎ ｉ 士 和 Ｒ — Ｓ Ｍ ｉｎｇ博 ｏ
ｈｅ 博 士 因此 获 得 １８ ｒｒ ９ ６年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 ． ｏ Ｒ—
金 属薄膜 中存 在 超 导 现 象 ． 个 原 子 层 是 一 个 实 单
量 分 辨 率 提 高 到 同 类 仪 器 的 国 际 领 先 水 平 ． ＴＭ Ｓ
国际会议 上作 特邀 学术 报告 的邀 请 ． 清 华大 学 物 （
理 系） 摘 自清 华 大 学 校 刊 《 清 华 》 ７ ０ 期 ， ［ 新 １９
２ １．３ １ ０ ０ ０ ． ２出 刊 ］
（ 接 第 ４页 ） 上
物理 与工 程
Ｖｏ． ０ Ｎｏ ２ ２ １ １２ ． ０ ０
薛 其 坤 团 队领 衔 发 现 单 原 子 层 的 超 导 体
本 报 讯 日前 ， 清华 大学 物 理 系薛 其 坤 院士
和 陈 曦 、 金 锋 组 成 的 研 究 团 队 ， 中 国 科 学 院 物 贾 与 理 所 马 旭 村 研 究 组 、 校 物 理 系 王 亚 愚 教 授 、 港 我 香
我们 的神 圣 使 命 ． 重 而 道 远 ， 们 必 须 加 倍 努 任 我 力， 我们 必 须 不 断 前 进 ， 此 告 慰 我 们 敬 爱 的 叶 以
先生．
参 考 文 献
［］ 钱伟长主编． ３ 一代 师 表 叶企 孙 ［ ． 海 ： 海 科 学 技 术 出 版 Ｍ］ 上 上
社 ，９ ５ ２ ３ １ ９ ． ５
际 材料所 能 达 到 的极 限厚 度 ， 而 该 工 作 给 出 了 因
ｈ ｅ 博 士受 薛 其 坤 院 士 邀 请 曾先 后 两 次 访 问 我 ｒｒ 校 ， 于 ２０ 并 ０ ７年 ３月 在 “ 华 论 坛 ” 过 演 讲． 清 作 物 理 系的研 究人员 利用 自己发 展 的高 能量 分 辨扫 描 隧道 谱 ， 在生 长 于 硅 单 晶 表 面 的铅 和铟 的单 原 子
方面 均进入 国际先进 水平 之列．
量子 现象 ， 自从荷 兰科 学家 Ｏｎ ｅ 于 １ １ 年 发 现 ｎｓ ９１
超 导 现 象 后 近 １ ０年 ， 导 电 性 的 研 究 和 超 导 材 ０ 超 料 的探索 一直 是 物 理 学 最 重 要 的研 究 方 向之 一 ． 作 为 一 种 典 型 的 相 变 现 象 ， 导 电 性 随 着 材 料 维 超 度 的 降 低 而 逐 渐 受 到 抑 制 ， 如 薄 膜 的 超 导 转 变 比
除上述 成果 外 ， ３年 薛 其 坤 团 队还 在 多 项 近 研 究 中取得 了重 要 进 展． 映 这 些 成 果 的 研 究 论 反
文 分 别 发 表 在 国 际 物 理 学 研 究 最 重 要 的 期 刊 之
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温度相 比块材 有显 著下 降． 因而 ， 导体 的极 限厚 超 度是一个 长期 令人 关注但 悬 而未决 的 问题 ．