“超导是物理学科学发现的富矿”——南科大校长薛其坤在第八期“浦江科学大师讲坛”上开讲

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“超导是物理学科学发现的富矿”，9月8日，伴随着悠扬的沂蒙山小调，中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，在复旦大学举行的第八期“浦江科学大师讲坛”上开讲。

薛其坤介绍，过去113年里，共有五次诺贝尔物理奖授予超导研究的物理学家。该领域不仅蕴藏着丰富的科学发现，更能考验一个人的学术水平。

“超导体，首先必须是导体。导体电阻主要来源于原子振动对电子的散射”，薛其坤打了个形象的比喻：“温度低的时候，原子就不大运动了。就像一帮人做广播体操，中间有一个人想穿过去，这些人如果一直乱走，人很难走过去；但如果这些人都停下来，这个人就能找到空隙走过去。也就是说，温度越低，原子振动越弱，电阻就容易通过，所以超导一般会发生在低温。”

温度超过40K （零下233 °C）的超导为高温超导。因此，在超导研究领域，提高超导体材料的临界温度（Tc）是关键。而霍尔效应的发现，打开了人类认识微观世界的又一扇大门。

霍尔效应指当电流沿纵向通过导体或半导体薄片时，如果薄片置于垂直方向的磁场中，就会在其两侧产生一个横向电压，即霍尔电压。而量子霍尔效应，则是霍尔效应的一种量子化版本。它是在强磁场下出现的一种特殊状态，其中霍尔电阻呈现出量子化的阶梯状特征。

早在1880年，霍尔就在研究磁性金属的霍尔效应时发现了一个有趣的现象：即使不加外磁场，也可以观测到霍尔电阻，这种在零磁场中的霍尔效应被称为反常霍尔效应。这一发现引发了另一个问题：既然存在量子霍尔效应，那么是否也存在一个量子化的反常霍尔效应版本？

量子反常霍尔效应正是这样一种现象，它不需要外加磁场即可观察到量子化的霍尔电阻。在量子反常霍尔状态下，材料表面的电子遵循着特定的轨迹运动，形成所谓的边缘态，这些边缘态允许电子沿着特定的方向无散射地流动，从而大大降低了能量损耗。如此重要的物理学推断，被薛其坤的团队证实了。

这是基础研究0到1的发现。

为验证这一理论物理预言，2008年起薛其坤就开始带领研究团队探索量子霍尔效应在无磁场条件下的实现可能性。

量子反常霍尔效应的实现条件极为苛刻，需要一种具备拓扑特性、长程铁磁序和体内绝缘态三个条件的超薄膜材料。

“这是一种三不像的矛盾体，三个矛盾点是，大部分铁磁材料都是导电的，二维情形下很难实现铁磁性，以及磁性和拓扑很难做到共存。这就相当于，你要制备出一种像‘三项全能运动员’一样的材料。”薛其坤说。

基于这些要求，薛其坤团队与王亚愚团队、吕力团队合作，实验验证筛选了一系列磁性拓扑绝缘体。磁性拓扑绝缘体是一类独特的材料，它们在内部是绝缘的，但在表面或边缘展现出导电性，且这种导电性不受杂质或缺陷的影响，正契合产生量子反常霍尔效应的要求。

2012年12月，薛其坤团队终于在一种磁性拓扑绝缘体，Cr掺杂的(Bi,Sb)₂Te₃薄膜上观测到了完美的量子化平台。这一成果标志着首次在零磁场条件下观察到了量子化的霍尔电阻，量子反常霍尔效应被发现了。

2013年3月，这一突破性成果发表在了《科学》杂志上，引起了国际物理学界的广泛关注。诺贝尔物理学奖得主杨振宁教授高度评价这一成果为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

量子反常霍尔效应的发现为薛其坤带来了诸多赞誉，但他的工作目标并不止步于此。

他在该领域还有其他研究方向：“第一个方向是实验技术，包括分子束外延、扫描隧道显微学、角分辨光电子能谱这些设备，都是我的研究对象。另一个方向是新的前沿问题，包括表面物理、拓扑量子态、低维超导电性等。”

其中，液氮温区的超导电性问题是薛其坤团队重点攻关的目标，“上世纪八十年代开始，液氮温区超导问题就进入了学界的视野，但其原理是什么，现在还没有科学家能很好地解释，我们希望能在这一领域作出突破。2021年，我们就在这个方向发表了一篇重要的论文。”

“孟子曰：孔子登东山而小鲁，登泰山而小天下。”薛其坤以登山为喻，阐释心中的科研精神，“自然界的表现形式千奇百怪，难以捉摸。做科学也就像登山，只有勇于挑战高峰，才能认识自然、改造自然。我们应该满怀豪情，用无限的想象力和严谨的科学态度，登上科技之峰。”（张炯强）