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中外科学家合作攻克世界性难题

2019-05-15 10:14:13 深圳特区报

  深圳特区报讯(记者 韩文嘉 通讯员 刘馨)5月8日,国际顶尖学术期刊《自然》发表了主要由南方科技大学物理系和中国科技大学物理学院共同完成的研究论文,文章名为“Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5”,首次从实验上证实了三维量子霍尔效应的存在。

  量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。但很长一段时间内,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。此次发现是基础物理研究的一项重要验证,证实了30余年前关于三维量子霍尔效应的预言,展现了三维体系里所存在丰富多姿的无限可能性,为未来的凝聚态物理的发展注入新的活力。

  艰难攻克世界性难题

  1987年,著名物理学家、哈佛大学教授伯特兰·霍尔柏林从理论上预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。然而,三维量子霍尔效应的验证是一项世界性难题。要实现三维量子霍尔效应,就需要达到所谓的极端量子极限条件(Extreme Quantum Limit)。这个实验条件要求异常苛刻,是当前的实验条件无法提供的。因此,三维量子霍尔效应方向的研究一度处于几乎停顿的状态。

  在32年的漫长等待后,南方科技大学物理系副教授张立源团队的联合研究成果首次实验证实了这一预测,揭开了三维量子霍尔效应的神秘面纱。在得知此次研究团队的实验成果后,伯特兰·霍尔柏林也特地向团队表达了祝贺和肯定,并称赞团队的成果是一次极好的发现(“indeed a very nice discovery”)。

  为了满足实验的苛刻条件,张立源团队巧妙地选用了高品质的五碲化锆(ZrTe5)晶体作为研究对象。五碲化锆晶体是一种各向异性较强、三维层状结构的新型拓扑材料。团队利用其所低载流子浓度,超高迁移率的特点,使体系能够在实验条件允许的磁场环境下进入量子极限。另外,为了避免样品的多个电子口袋相互影响,使实验分析复杂化,团队还特意筛选出只有单个电子口袋的样品进行实验。

  正是这一材料的发现,给实验带来了突破性进展。拓扑序理论的提出者、美国国家科学院院士文小刚教授专门点评了团队的这一实验发现,称“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”

  做研究就像挖矿,认准目标就要坚持

  在张立源看来,研究有时候就像挖矿一样,认准目标,不要轻易放弃。

  研究初期,由于早期样品的品质不同,实验结果呈现出复杂的多样性,研究团队一度陷入迷茫中。“就像在茫茫荒漠中,找不到路标。”坚持还是放弃?困难当头,张立源决定沉住气、细心分析,鼓励团队振作精神,继续前进。

  终于,在某天分析一组常规的实验数据时,张立源发现了一个此前忽略掉的规律。他立刻集合了实验课题组,安排团队尽快开展一系列重复实验,并成功验证了这个规律,终于打开了研究的突破口。

  这项突破并不仅仅来自于灵光一闪,更多来自于张立源在做学术时十分看重且始终贯彻的品质:细心和恒心。课题组博士后王培培认为,观察到三维量子霍尔效应看似偶然,实则幸运背后是长期的坚持和努力所叠加出的必然。“张立源老师的学术敏锐性和咬定青山不放松的坚持,让这个项目得以开展和坚持下去,这是课题组能够取得突破性研究成果的最关键要素。”

  王培培还提到,他2016年1月加入课题组时就开始尝试生长这个ZrTe5材料,刚开始一直受困于单晶迁移率不高,但张立源老师始终坚持追求高质量晶体,在组会上无数次强调:“Quality!Quality!Quality!(质量!质量!质量!)”为了得到高迁移率的单晶,张立源与美国布鲁克海文实验室的Genda Gu合作,得到了用flux方法生长的ZrTe5单晶,迁移率提高了10倍多。“只有样品足够纯净、质量足够高,才能得到好的性质,而这,也正是课题组最终测出三维量子霍尔效应现象的前提。”从细节出发,于深处升华,正是这种精益求精的态度,让课题组在追求高质量单晶的过程中,有了看似意外、实为必然的收获。

  据论文第一作者、课题组博士生汤方栋回忆,他在研究过程中做了大量ZrTe5单晶项目样品的测试,其中样品性质好的测试需要耗时数周,性质不好的也要2天左右。在日复一日、繁琐复杂的测试当中,他也深切地意识到了理解实验数据、深入挖掘数据内涵的重要性。

  中外科学家合作攻克难关

  现代科学研究中,学科交叉、团队合作的重要性越发凸显。张立源说,三维量子霍尔效应的研究中,多方的合作和沟通起到了不可或缺的作用。此次的研究成果,就得到了美国布鲁克海文国家实验室Genda Gu组、佛罗里达州州立大学的杨昆教授,麻省理工学院的Patrick A Lee等资深学者们的合作和指导。论文第二通讯作者,中科大乔振华教授还曾带着自己课题组的学生短暂“搬”来南科大,和新加坡科技设计大学的杨声远教授一起全力协助张立源课题组进行实验数据分析,并及时提出各种反馈和建议,对推进课题研究的不断进展做出了突出贡献。

  学校的支持同样不可或缺。张立源回忆道,自2014年加入南科大后,他便着手筹备这项研究,开始购置设备、招募人才。深圳市政府、学校和院系都给了很大的帮助和支持。在团队经费最困难的时候,校长陈十一专门从校长基金里拨出专项资金支持该项目。此后,俞大鹏院士领衔的广东省创新团队解决了经费的后顾之忧。

  作为基础物理领域的一项重大验证,此次的发现非同寻常。但张立源表示,未来要做的就是继续“挖矿”:“这项成果对未来学术研究和日常生活的影响我也无法猜测,我能做的就是告诉大家,这里还有个钻石矿在向大家招手。” 他希望自己和其他青年学者们都能始终对学术保持耐心和热爱,不断取得更多优秀的学术成果。

编辑:韩京华

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