讲座时间：2024年9月8日
讲座组织：浦江科学大师讲坛
主讲人：薛其坤 院士
主办方：上海市政协科技和教育委员会、复旦大学、中共上海市科学技术工作委员会、上海市科学技术委员会、上海市科学技术协会
讲座背景：聚焦物理学科中最大也是最重要的分支之一凝聚肽物理，它是研究凝聚肽物质基本运动规律的学科，也是现代高新技术的科学基础。而量子反常霍尔效应与高温超导便是凝聚肽物理浩瀚星空中的两颗璀璨明星。量子反常霍尔效应无需磁场便可实现无耗散的边缘态，它的发现为未来低功耗的电子器件及量子计算技术铺设了基石，也可能带来信息技术的能效革命。而高温超导，这是物理学界长期以来追求的圣杯之一。它突破了传统超导需要极低温度的限制，将会在能源、交通、医疗等众多领域带来根本性的技术革新。
薛其坤 院士荣誉简介：
巴克利奖首位中国籍的获奖者
2024 年6月获得了 2023 年度国家最高科学技术奖，成为国家最高科学技术奖历史上等最年轻的获奖者
讲座笔记
温度讲解
两种温度
1、摄氏温标，例如天气 35 度，那是 35 摄氏度。
2、物理学常用，开氏温标、卡尔温标，简称开氏温标。
摄氏温标和开氏温标的换算关系是:T=t+273.15K，也就是0摄氏度等于 273.15K
右侧这张图叫热力学的堆积温度。0K是我们人类自然界不可能达到的温度，因为在这个。温度。整个世界一片黑暗，没有任何声音，原子停止震动，电子停止震动，没有声音、任何运动都没有，所以这是一个不可达到的我们物理学家定义的温度。
右图中，将温度升高，20k就是液氢的温度、77K是液氮的温度...
那么 0.03 k，也就 30 mK，接近绝对零度，绝对这个热力学最低温度。这就是目前大家经常听到的研制的超导量的计算机所工作时需要达到的温度。
再往上就是 0.3 k 300 mK，也是非常非常低这个温度，这就是液化氦3的温度。再往上，就是液化氦4的温度。
相比较温度与价格成反比，温度越低所花费的价钱。液氮是4元/升、液化氦4是4元/升、液化氦3是24000元/升。
欧姆定律与超导
欧姆定律是指在这个导线流动的电流正比架在导线两端的电压反比于这个导线的电阻，是由于这个流动的电子受到材料中各种因素对电子运动产生一种阻碍。
沿着这个公式我们想做一件事情，就把这个电阻变成0，按照这个公式的话就变得非常没有物理意义，电流会变成无穷大？
过了半个世纪以后，由荷兰的物理学家因为它实现了氦4液化这个技术，实现了零下 269 度的这么一个温度。
从中间那条头看到金银铜，随到温度的降低，它的电阻也在逐渐下降，但是它总会停在某一个位置，永远达不到零。但是有一类材料当时是汞，也就是水银。水银在氦4液化下，看中间那个曲线，一下子到了所有的仪器都达不到的这种水平。
所以一个奇妙的现象发生了，欧姆定律在这里产生了一个非常从公式上来讲无法解释的这么一个现象。在这个温度达到这个超导电阻等于 0 的这个温度，我们物理学上叫超导转变温度，TC。
另一个特性，就是完全的抗磁性磁，可以说超导和磁性是不能共存的。
如果我们。从空间上去看一下这个超导体的话，在任何地方它的电阻都是0，物体所有地方电阻等于0。那么如果我用这个超导线做一个环，启动一个电流，因为它没有电阻，这个超导环中的电流就会没完没了的一直。流动下去。他们当时曾经做过这个一个实验，几乎在宇宙年龄之内 130 多亿年的时间内电流也不会消失掉，所以，就没有能耗这件事，在超导力发现以后，或者低能耗发现以后就变成一个现实。
超导又是物理学科学发现的一个富矿，在过去的 113 年中，共有五次诺贝尔物理奖授予超导研究的物理学家。
超导有两个基本的性质：
1、 超导必须是导体，它为什么这个英文叫 superconductor？它来源就是 super 加上conduct，因为它首先是个conduct，是一个导体，因为非常厉害，它叫super，所以就组成了这个新的名词。
2、 导体(金属)电阻主要来源于原子振动对电子的散射，所以超导一般发生在低温。温度超过40K(零下233°C)的超导为高温超导。比如说一帮人在这里做广播体操，中间有一个人在想穿过去，就是电子想穿过去，这些人如果一直在乱走的话，这个人很不容易穿过去。但是如果你把这些人都停下来，这个人会找到这些空隙过去。
超导研究
从应用的角度来说，温度超导转变，温度越高越好。到了室温就是超高的高温超导，就不再需要氦3氦4制冷机液化了。所以在整个100多年的超导研究中，提高温度也是经济建设现代化一部分。
1986年，瑞士两个科学家发现转变温度超过77K的铜氧化物高温超导，1987年获得诺贝尔物理奖。
大家刚才看到超导的发现是 1911 年，过了两年获得诺贝尔奖，他们这个突破只花了一年。就获奖了，所以大家都知道提高温度在我们这个领域有多么多么的重要。
如果实现了室温超导的话，那就是实现了这个电影阿凡达中的那个哈利亚路山，那些山实际上就是室温超导。
霍尔效应
1879 年，在约翰斯·霍普金斯大学一个物理系的博士生叫Hall，发现了垂直于电流方向的欧姆定律。当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载流子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔效应，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）运动所造成的。
1881年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。
霍尔效应十分有用，在我们生活中的，汽车的速度传感器、信用卡的次卡阅读器等等，都是通过霍尔探测器来完成的。所以我们现在生活中的很多东西都离不开霍尔效应。所以不但科学上非常有意思，应用上也的也是产生了巨大的效应。
量子霍尔效应
1980 年，那时候半导体产业已经非常发达了，德国的Klizing把导体换成了半导体硅场效应晶体管。
他又做了一次实验，结果发现了量子霍尔效应——一个既与超导现象有共通之处，又展现出独特差异的现象。在量子力学，许多材料内部，如同红色的绝缘屏障，电阻无穷大，然而在其边缘，却展现出一种近乎超导的奇异特性，尽管严格意义上并非超导，因其电阻等于0。但量子霍尔效应的独特之处在于其横向特性：当在材料两侧施加垂直方向的电场时，边缘区域会展现出一种令人难以置信的现象——霍尔电导精确地等于n乘以h/e²，其中n是正整数，h是普朗克常数，e是电子的基本电荷。
因为霍尔电导的数值与材料的具体性质无关，而仅依赖于自然常数和整数n。在宏观世界中，几乎找不到两个物理效应完全相同的物体，但量子霍尔效应却打破了这一常规，其普适性令人震撼。这一发现不仅是对欧姆定律的超越，更是打开了整个人士微观世界、量子世界的大门，所以我们通过这个研究可以了解自然界最基本的朴实的规律。
当将研究的对象从简单的金属扩展到硅这样的半导体材料时，，其长效晶体管管理下的行为同样能够显现出量子霍尔效应，这进一步证明了量子现象在多种材料体系中的普遍性。
量子霍尔效应，是不是其他材料也会有这种效应呢？1982年，包括华人物理学家崔琦先生在内的研究团队，通过探索发光化合物半导体（如砷化镓中的二维电子气），发现了另一类量子霍尔效应——分数量子霍尔效应。这一发现不仅深化了我们对量子物理的理解，也因其对基础科学领域的杰出贡献，使得相关研究者分别在1985年和1998年获得了诺贝尔奖的殊荣。
如果不断有新材料涌现，并对其进行类似的量子化学效应测量，是否还能发现更多前所未有的量子现象呢？历史给出了肯定的答案。2006年，曼彻斯特大学的两位物理学家通过精湛的技术制备出了仅由单个原子层构成的石墨烯，这一“奇迹材料”在随后的活性效应测量中，展现出了半整数量子霍尔效应，再次震撼了科学界。四年后，这一重大发现也为他们赢得了诺贝尔奖的荣誉，证明了在探索未知领域的道路上，永远不缺少奇迹和可能。
值得一提的是，在这一系列激动人心的科学探索中，复旦大学物理系的张远波教授也做出了开创性的贡献。
新的突破
超导和霍尔效应，这个科学富矿有0-1的突破，也有人站在巨人的肩膀出现了新的0-1的突破，也就是新的0-1。
在科学研究中，如果你选择一个前沿的方向，你就有机会在原来的巨人肩膀上有新的科学发现，就像之前说的超导，包括霍尔效应，就是这么一些典范。大家可以看到有规律可循，只要有了新材料，马上去研究，就会有新的发现，也有些完全创新的概念，从0-1有时候是到一个新的0。
2013年，在量子反常霍尔效应的研究上取得了突破性进展。利用分子束外延技术，在拓扑绝缘体薄膜上精确控制生长条件，成功制备出了高质量的磁性拓扑绝缘体薄膜。通过低温输运测量，观察到了在零磁场下量子霍尔电导的精确量子化平台，从而实现了不需要磁场的量子反常霍尔效应。
用碗来表示这些不同材质的相同和不同绝缘体，第一个碗它是不导电的导体，用金碗代表导体。拓扑绝缘体是在一个绝缘体上面产生了一层很薄的导电膜。另一个碗是磁性拓扑绝缘体，对拓扑绝缘体进行掺杂，就会产生一个边上导电的。这个就发现了霍尔反常效应。
拓扑绝缘体Bi2te3，首先有角分变光电能谱，从理论上、从实验上证明了它有非常特别的拓扑性质。为后面做进一步的探索奠定了关键的基础。
承载量子反常霍尔效应的材料，实际上是一个非常奇怪的材料，我们介绍为三不像矛盾体。因为磁性和拓扑，一般是矛盾的；磁性和拓扑和绝缘，大部分情况也是矛盾的。所以要制备一个三项全能运动员，每一个还得是世界冠军的材料。是非常难的。
经过和王亚愚老师和吕力老师两个团队合作，最后经过四年的艰苦探索，1000多个样品，20多个学生，实现了量子反常霍尔效应。
大家可以看到，其实在 2010 年，我们已经有非常高的起点的时候，我们想我们离这个最后的这个 1.0 还是差距非常非常的远。但是持续努力，最后在四年多一直在重复这么一个实验，最后实现了量子反常霍尔效应。
