2024顶科论坛思想文献 | 开幕主旨演讲薛其坤：材料与科学发现

沉淀与分享

2024世界顶尖科学家论坛开幕式奉献了5场代表着顶尖科学家顶尖思考的主旨演讲，5位中外科学家对全球科学前沿、科技探索趋势和人类未来发展的洞察与前瞻，给现场嘉宾和线上观众带来了深刻的启迪。这5场主旨演讲是2024顶科论坛重要的思想文献，将陆续与全球科学同道分享。

材料与科学发现

薛其坤

2023年国家最高科学技术奖得主

中国科学院院士

南方科技大学校长

清华大学物理学教授

世界顶尖科学家协会大学校长咨询与协作委员会创始成员

今天，我想谈谈物理学领域的一些发现，而这些发现在很大程度上是由材料学的发展所推动的。我要谈论的话题有两个，先从温度说起。大卫·格罗斯提到了温度与全球变暖有关。众所周知，温度主要用摄氏度（℃）和开尔文（K）两种单位来衡量。水的凝固点为0℃，相当于273.15K。我想大家都知道这一点。然后是室温，上海的室温大约是27℃，相当于300K。液氮的沸点为77K，与室温相比非常低。液氦4的沸点更低，仅为4K，而液氦3的沸点则是0.3K，即300mK。

不过，制造这些液体的价格大不相同。每升液氮的成本仅为0.5美元，与瓶装水的价格相当，但每升液氦的价格却高达50美元，而液氦3更是每升高达4000美元。因此，在极低温度下进行物理学实验是非常昂贵的。如果想使用液氦3，就需要更多资金。正如这张幻灯片所展示的，我想强调的是，正如大卫·格罗斯在他的演讲中谈到全球变暖时所言，温度至关重要。

今天，我要讨论的第一个话题是超导。1911年，海克·卡末林·昂内斯在汞这种材料发现了超导现象，其临界温度是4.2K，也就是液氦4的沸点。在接下来的75年里，从1911年到1986年，人们从成千上万种材料中发现的超导临界温度的最高纪录是23K。对于在座的大多数人来说，这个温度仍然非常低。

但在1986年，情况突然发生了变化。两位瑞士物理学家柏诺兹和缪勒发现，铜酸盐这种铜氧化物具有超导性，其临界温度超过77K，即液氮的沸点。由于这个临界温度非常高，铜酸盐的应用前景立即变得明朗，因为（潜在超导技术的）成本降低了。

从那时到现在，已经过去了近40年，但我们尚未理解为什么铜酸盐这种氧化物能具有如此高的超导临界温度。凝聚态物理学的主要研究任务除解决这个问题外，我们能否找到其他具有更高临界温度的材料呢？特别是室温超导体，那将是非常了不起的发现。如果答案是肯定的，这种材料又会是什么样的呢？这因此成为了目前凝聚态物理学领域的主要研究方向之一。当然，这极具挑战性。

一个好消息是，德国的一个研究组在2006年或2010年前后发现，高压条件下，某些氢化物在大约200K到250K的温度区间内具有超导性，而这已经高于世界上一些寒冷地区的温度。这项工作，以及来自中国吉林大学和其他机构的研究成果，给了我们一些信心，也许室温超导体和实现室温超导是可能的。如果这成为现实，我们就能看到著名电影《阿凡达》中发生的事情，图中的悬浮山其实是一座室温超导山峰。

因此，该领域有一个非常重要的研究方向，那就是寻找能够具有室温超导特性的材料。这项工作极其困难，可能需要5年、10年、20年，乃至更长的时间。如果最终发现了室温超导材料，则不仅会极大地推进人类对材料学和物理学的理解，并且在开发多种技术和重要应用方面具备更大的潜力。

我在图示中给大家举了一些例子，比如磁悬浮高速列车。我们甚至可以使用室温超导技术让会场悬浮起来。如果对所处地点不满意，就可以轻而易举地将其移动到上海的其他地方。可以想见，应用场景将无比广泛。

为了实现这一目标，我们需要每天审视这张元素周期表，进行更深入的思考。我刚才提到了德国的研究成果，受此启发，我们或许可以通过将具有很大晶格常数差异的两种材料制成异质结构来模拟高压技术。利用由晶格常数差异所产生的应变，高压或许可以实现。而通过制造这种高质量的异质结构，具有更高临界温度的超导将可能实现。

我今天想与大家探讨的另一个话题是在半导体材料中发现的量子霍尔效应。1879年，埃德温·霍尔在金属材料中发现了霍尔效应。霍尔效应的应用非常广泛，如左下角的图例所示。100年后的1980年，来自德国的克劳斯·冯·克利钦在硅基二维电子气中发现了霍尔电阻高度精确的量子化效应，这种二维电子气位于典型场效应晶体管中的硅和二氧化硅之间。这又是一个惊人的发现。这里测得的霍尔电阻RH等于或仅依赖于n、h、e。其中n是自然数，比如1、2、3、4等等；h是普朗克常数；e是电子电荷。因此，霍尔电阻与具体材料无关。这一发现的背后蕴含着某种通用机制。

然而，故事还没有结束。1982年，通过将硅基材料替换为另一种三五族化合物半导体砷化镓，霍斯特·施特默和崔琦发现了分数量子霍尔效应，而罗伯特·劳克林对此做出了理论解释。通过制造真正的二维材料石墨烯，一种单层碳原子材料，安德烈·盖姆，我想他就坐在观众席中，和他的同事发现了另一种非常有趣的量子霍尔效应，他们称之为半整数量子霍尔效应，承载着无质量的狄拉克费米子。因此，我们可以看到，通过改变材料、开发新材料，即使在霍尔效应这个简单的研究方向上，仍然可以发现许多奇妙的物理现象。

当然了，这三种量子霍尔效应的共同特点是，在大多数情况下，我们需要施加更强的磁场。这时候自然会出现一个问题：我们能否在不施加外部磁场的情况下实现量子霍尔效应？这就是量子反常霍尔效应，它是埃德温·霍尔于1881年发现的反常霍尔效应的量子版本。

根据张首晟和查尔斯·凯恩在2005年左右提出的假说，人们有望在拓扑绝缘体这种新材料中观察到量子反常霍尔效应。我用这张示意图向大家介绍一下拓扑绝缘体。最左侧是一个陶瓷绝缘碗。旁边是一个金碗，即导体。拓扑绝缘体可以看作是一个陶瓷碗，其表面涂有一层非常薄的导体，厚度约为1纳米。如果能使这个拓扑绝缘体具有铁磁性，就会转变为最右侧的碗，即边缘附着导体涂层的陶瓷碗，这就是磁性拓扑绝缘体。根据假说，磁性拓扑绝缘体可以实现量子反常霍尔效应。

自2006年以来，我的研究组一直在研究这些新材料。通过分子束外延技术可以制备出质量非常高的材料。左图列举了一些碲化铋的数据，右图则展示了半微米范围内的材料形态。在这个范围内，只能看到1、2、3、4个原子阶梯，这意味着这层薄膜是原子级平整的。放大图像后可以看到详细的单原子信息。从这张图中可以看出，薄膜具有非常低的缺陷密度，而另一种拓扑绝缘体硒化铋也可以做到这一点。

通过进一步试验使这种拓扑材料具有铁磁性，大约在2013年，也就是11年前，我们在新材料中观察到了量子反常霍尔效应。正如我刚才提到的，这种新材料是磁性拓扑绝缘体。

从我刚才举的例子中，从这些新材料、超导材料和拓扑材料中，我们可以发现许多新的物理现象并得出成果。同时，这类材料在开发未来技术方面也具备更大的潜力。其中一个激动人心且最具吸引力的方向就是量子计算机。我们可以使用铝异质结等超导体，构造所谓的约瑟夫森结，即“铝-氧化铝-铝”这样的三明治结构。这是当前超导量子计算机的基本结构。如果能进一步提高约瑟夫森结的质量，我们最终有可能实现基于超导材料的量子计算。还有拓扑量子计算机，正是基于我刚才提到的拓扑材料。当然，要使量子计算机像传统计算机一样实用，还需要投入漫长的时间进行大量的工作，但我们应该为此努力。

综上所述，在过去大约40年里，凝聚态物理学领域的重大发现与新材料及其组合的发展密切相关，在此我只进行了简要介绍。这些发现带来了许多技术应用，包括信息及其他领域。在结束演讲之际，我想强调的是，物理学和材料学之间的相互作用至关重要，并将继续在未来的科技进步中占据举足轻重的地位。

本主旨演讲内容仅限学术交流之用，不得随意转载、编辑。

编    辑 | 秣   马

责    编 | 小   文