演讲回顾
11月3日,2024腾讯科学WE大会正式召开。国家最高科学技术奖获得者、诺贝尔奖获得者等五位国内外顶尖科学家与我们分享了量子物理、时空旅行、暗物质、脑GPS、器官芯片等领域的前沿探索和突破。
会议原版双语字幕视频和嘉宾演讲全文将陆续发布。欢迎观看!
量子技术正处于新一轮科技革命的前沿。我国最高国家科学技术奖获得者、中科院院士薛其坤带领团队历经四年时间、千余次反复试验,成功制备出兼具“磁性”、“拓扑”的新材料和“绝缘”,并在实验中测试了该材料,发现其具有量子反常霍尔效应。这一“从0到1”的突破,被物理学家杨振宁称为“中国实验室首个诺奖级物理成果”,推动中国量子技术跻身世界顶尖行列。薛院士在WE会议上带领观众深入探索微观量子世界,并展示了最新的实验样本。他在演讲最后强调:“要实现重大科学问题的突破,必须把每一个实验、每一个细节做到尽善尽美。”
以下为薛院士演讲视频回顾:
以下为薛院士演讲全文:
亲爱的观众朋友大家下午好,我是薛其坤。谢谢!
今天我就和大家聊聊微观世界和量子世界的奥秘。我今天演讲的题目是《探索微观量子世界》。我特别会用近几十年来这个领域的一些进展来向大家揭示量子世界是多么的精彩。
我们先回顾一下初中的物理知识——欧姆定律。欧姆定律是德国物理学家欧姆在近200年前提出的非常经典的电学定律。它指出,通过导体,导体的电阻与施加到导体两端的电压差成正比。与电流成反比。大家都非常熟悉了。换句话说,流过导体的电流与导体两端的电压成正比,与材料的电阻成反比。材料的电阻越大,其绝缘性越强;在额定电压下,它将承载较小的电流。我想很多初中生都非常熟悉这个著名的欧姆定律。
欧姆定律讲述的是关于电压、电阻和电流沿电流流动方向的基本关系的科学定律。我们很好奇,自然想问:“在垂直于电流流动的方向上,电流、电压、电阻之间的关系是否存在类似欧姆定律的东西?”答案是:“是的!”
这就是美国物理学家埃德温·霍尔在1879年,也就是欧姆定律提出50多年后发现的霍尔效应。霍尔效应实验是一个非常精妙的实验。他把这根铁丝变成了这么一块平板。当时使用的材料是黄金。在垂直于金板的方向上,添加了磁场。当然,沿着电流流动的方向,欧姆定律仍然存在。然而,由于这个磁场,流动的电子受到洛伦兹力的影响,它们也会在垂直于电流的方向上发生偏转。
如该动画所示,在这样的磁场下,除了电流沿欧姆定律方向流动外,电子也会横向偏转,形成电荷积累,形成电压。这个电压称为霍尔电压,这种现象就是霍尔效应。霍尔效应可以通过添加磁场来产生,那么我们自然想问,这么大的霍尔效应可以在没有磁场的情况下实现吗?答案也是“是”!
在他发现霍尔效应一年后,他进行了这样的实验,并用铁代替了材料金。他还依靠铁本身磁性产生的磁场发现了类似的霍尔效应。由于科学机制完全不同,因此被命名为反常霍尔效应。
无论如何,霍尔效应和反常霍尔效应都是非常经典的电磁现象之一。为什么?它用一个非常简单的科学实验和科学装置,在一个装置中完成电和磁两种截然不同的现象。
当然,霍尔效应非常有用。今天我就给大家举几个大家都非常熟悉的例子。例如测量电流的电流钳、我们用来读取信用卡的磁卡读卡器、汽车的车速表等都是霍尔效应的应用。它已经存在于我们生活的方方面面。这是一项极其伟大的科学发现,为我们社会的科技进步带来了极大的便利。
这不是这个故事的结局。 100年后,德国物理学家冯·克利青将研究的材料从金属改为半导体硅。结果,他发现了量子霍尔效应,或者说霍尔效应的量子版本。他使用了一种特定的材料,那就是我们熟悉的每台计算机和每个芯片中都存在的场效应晶体管。这种场效应晶体管中的硅和二氧化硅之间有一个界面,这个界面上有二维电子气。正是在半导体材料的这样一个系统中,他发现了量子霍尔效应。
在强磁场下,冯·克利青先生发现了霍尔电阻。右边的公式是=h/ne2。 h是一个常数,以你刚才观看视频时的普朗克科学家的名字命名。它是一个自然物理常数。 n 是自然数 — 1、2、3、4、5。e 是电子的电荷。这是一个非常伟大的发现。为什么?我一说就明白了,因为测得的霍尔电阻与所研究的材料无关。硅,也许任何材料,都有这个。它只与物理常数和自然界的一些基本性质有关,与具体材料无关。因此,它为我们认识微观世界和自然世界打开了大门。
与此同时,量子霍尔效应为电子在我们的材料中移动建立了一条高速公路,就像您在左侧看到的动画一样。在电子的高速公路上,它的欧姆电阻,即与电流方向平行的电阻,变成0。就像超导一样。因此,如果一个器件是用量子霍尔效应等材料制成的,那么它的能耗将会非常低。
今天看到的是两条车道的情况,n=2。若n=3,则高速公路一侧有3条车道;如果n=4,电子高速公路就变成了4车道,所以在这个理解中,自然数n、1、2、3、4、5、6、7、8与微观世界的电子高速公路紧密结合在一起。正如你所看到的,我们对自然世界和量子世界的理解已经向前迈出了一大步。
冯·克利青于1980年发现量子霍尔效应后,五年后因这一重大科学发现而荣获诺贝尔物理学奖。
硅具有量子霍尔效应。很多小朋友会问,其他半导体材料也有量子霍尔效应吗?第二年,即1982年,三位物理学家将他们研究的材料从硅改为可以发光的砷化镓。结果,他们发现分数化不再是一、二、三、四,而是三分之一、五分之一、分数化量子霍尔效应,这三位物理学家获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
在我们这个世纪,每个人都知道石墨烯。两位物理学家利用石墨烯作为量子材料,继续一百年前的霍尔效应实验,发现了半整数量子霍尔效应。随着量子霍尔效应的不断发现,我们对自然、材料、量子材料以及未来材料的认识在电子和量子层面逐渐加深,从而推动了科学特别是物理学的巨大进步。 。
量子霍尔效应有很多应用。今天我要讲一个大家都熟悉的应用,那就是体重的测量。我们每天都想测量体重,而体重测量无处不在。 1889年,国际计量大会将千克标准定义为由9:1铂铱合金制成的圆柱体。一百多年来,它一直被世界各地用作称重标准。
但118年后,2007年,我们发现这个标准发生了变化:减少了50微克。一个标准减少 50 微克是一个巨大的变化。世界各地的标准不再是标准,并且会随着时间的推移而进一步变化。因此,我们需要更准确、能使用更长时间的体重标准。
2018年,国际计量大会重新定义了千克标准,它是根据我刚才提到的量子霍尔效应和另一项诺贝尔奖获奖作品约瑟夫森效应,提出了一种全新的尺度,称为量子尺度或被称为基布尔秤,其重量测量精度可以达到10负8克,并且由物理学自然常数定义,不会在10,000、100,000或一亿年。这是我举的一个例子,大家都能理解。
刚才我提到了量子霍尔效应的三种不同版本。它们需要一个磁场,就像霍尔效应一样,而且一般需要的磁场非常强,通常是100,000特斯拉,10,000高斯。这是一个非常强大的磁场。我们巨大的地球产生的磁场只有0.5高斯,我们要使用的磁场是地球磁场强度的20万倍。即使去掉磁场也能观察到量子霍尔效应吗?我带领的团队和我的合作者在2013年完成了这个实验。我们在世界上第一次发现了量子霍尔效应,它不需要任何磁场而只需要材料本身的磁性,或者称为量子霍尔效应。量子反常霍尔。影响。
那么你自然要问,这样的发现也是物质驱动的吗?是的。我来这里是为了复习我们熟悉的材料。在普通人的概念中,自然界中的材料只有三种,导电金属、不导电绝缘体、半导体,介于两者之间。
第一代半导体包括硅、锗,第二代半导体包括砷化镓、锑化汞,第三、四代半导体包括氮化镓、碳化硅、金刚石等。材料的转变,包括量子霍尔效应,有两位物理学家。一位是你可能熟悉的中国物理学家张首晟,还有宾夕法尼亚大学的查尔斯·凯恩。在此基础上,他们提出了一种新材料:拓扑绝缘体,这就是你在屏幕最右侧可以看到的。
什么是拓扑绝缘体?让我向您简要解释一下。你可能对这张图很熟悉。最左边是一个陶瓷碗,它是绝缘且不导电的。右边是一个金制成的碗,它可以导电,被称为导体。拓扑绝缘体是一个涂有导电膜的陶瓷碗。如果将涂层碗进一步进行磁掺杂,使其具有磁性,它就会成为边缘仅镀金的碗。边缘的镀金碗被称为磁拓扑绝缘体材料。
根据张首晟等人的理论,它使我们能够观测到量子反常霍尔效应。然而,这种材料是一个三维矛盾:它有磁性,它需要拓扑,它需要绝缘。我们还需要将其制成薄膜。这就要求运动员像姚明一样打篮球,像姚明一样跑步。博尔特速度那么快,跳水也像全红婵一样聪明。这些材料非常难以准备。为什么?因为大多数磁性材料都是导电的,铁、钴、镍都是导电的;此外,磁学和拓扑学在物理上很难共存;还有一点是,在二维薄膜的情况下,很难实现铁磁使之真正具有磁性。因此,真正观察量子反常霍尔效应并在实验室中亲眼目睹是一项极具挑战性的实验。
我领导的团队与其他三个团队密切合作。我们动员了20多名研究生,努力了4年,尝试了一千多个样品。终于在2012年10月,我们完成了量子反常霍尔效应的发现。实验完成。我们证明了镀金碗(磁拓扑绝缘体)中确实存在量子反常霍尔效应的新定律。
今天,我特地把发现量子反常霍尔效应的样品带到了现场。可以看到,电平有很多个,电平之间有方块。每个方块都是第一个观察到的量子反常霍尔效应的样本。
这里我放了我们四个团队的领导,坐姿,以及我们团队核心成员的照片。最左边是马旭存老师,那边是陆丽老师,最右边是王雅宇老师。我们一起努力,终于分享了这一科学发现的喜悦。
这里我给大家讲一下这种材料的制备以及原子磁场的控制,这对于科学发现非常重要。这是一个例子,一些我们的学生准备和收集的照片。在中间,您将看到拓扑绝缘体碲化铋薄膜的扫描隧道显微镜照片。顶部的每个亮点代表一个原子。更重要的是,在这个范围内你找不到任何一个缺陷。说明我们的材料纯度非常高,在其他材料上我们也能达到这个水平。
这是另一种拓扑绝缘体材料:硒化铋。可以看到,在这么大的范围内,你只能看到你想要的原子,没有任何缺陷,而且薄膜是原子级平坦的,这为我们最终发现量子反常霍尔效应奠定了非常好的基础。
通过这样一个科学发现,我可以和在座的年轻朋友们分享一些东西。在我们的实验中,我们发现追求极致、永无止境是极其重要的。我要求我的学生对实验仪器有透彻的掌握。我要求他们抓住每一个实验的每一个细节,尽自己最大的能力做好每一个实验。但要做到这一点,我们需要非常勤奋、努力、坚持。
其实,老祖宗的智慧早已告诉我们如何做到这一点。我这里放的是大家都熟悉的荀子《劝学》的部分内容。有一段值得思考。 “不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海;积土成山,方可有风雨”积水成渊,则可有龙。”只有我们把泥土一点一点积累成山,才能成为气候,才能成为风暴,才能实现科学突破。事实是完全一样的。
最近,我们继续朝这个方向努力,正在攻克的课题之一就是高温超导机理这一重大科学问题。我再次贴出博士后研究高温超导机理而制备的异质结样品的电子显微镜照片。从图中可以看出,有5个样本。不同的颜色代表异质结的结点。正如你所看到的,每个亮点几乎都接近一个原子。在我们制备的异质结中,两种材料的结在原子尺度上几乎是完美的。只有这样,才能实现如此难以攻克的高温超导体。我们在机制上做出了改变,我们会继续朝这个方向努力。
在结束报告之前,我想跟各位观众和听众分享两点。通过我的报告,大家可以看到基础研究会带来科学发现。刚才讲了很多科学发现,这些发现会不断加深我们人类对自然和我们生活的世界的认识。另外,科学发现往往会带来颠覆性技术的发展,而这些技术的积累有时导致一场革命。因此,作为一名老一代科学家,我在此真诚呼吁,希望年轻人能够保持儿时对自然和科学的好奇心,热爱科学、崇尚科学、敢于从事科学。
今年6月,全国科学大会、国家科学奖励大会、两院院士大会三个全国性会议指出,我们距离建设科技强国仅剩11年。我们要用坚定的决心和顽强的意志,十年磨一剑。 ,只争朝夕,奋力拼搏,一步步将这一战略目标变为现实。希望更多的年轻人加入到科技强国建设中来。如果我们能够建设科技强国,发展高新技术,我们不仅会强大我们的国家,也将为人类的科学进步做出我们的中国贡献。正如科学家稍后将讨论的那样。
我的报告就到这里,谢谢大家。
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