如何评价薛其坤在莱芜一中关于量子物理的讲座-排行榜大全

2017年2月5日上午，山东省莱芜一中第一报告厅座无虚席，iTsinghua学堂——名家大师进中学”系列巡讲活动隆重举行。中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授为全校600余名师生和家长作了题为超越欧姆定律的物理学——量子物理研究的经历和体会”的专题报告。

薛其坤院士首先介绍了清华大学的发展历程以及当前学科设置和教科研情况，并鼓励同学们好好学习，有志于到清华园感受浓厚的学习和科研氛围。而后薛院士就其团队在霍尔效应和量子反常霍尔效应上的研究历程及取得的进展进行了讲解。虽然量子反常霍尔效应是目前全世界量子物理研究领域最尖端的科技成果，但薛其坤院士却从最基本的欧姆定律开始讲起。欧姆定律是指，电流在传输的过程中会因为电阻的存在发热，会浪费数量巨大的电能，2015年全球发电20万亿度，其中浪费了1.16万亿度，价值0.6万亿元，相当于甘肃省全年的GDP。因此如何减少或者消灭电阻，避免电能浪费就成为非常重要的问题。而量子反常霍尔效应可能就是解决电阻浪费问题的有效手段。

随后，薛院士从霍尔效应和反霍尔效应等基础内容开始，介绍霍尔效应之后人类如何一次次对这一效应进行实验和探索，直到发现量子平台，为人类克服电阻带来了曙光和希望。2013年，正是薛院士领衔的研究团队首次从实验上观测到了量子反常霍尔效应”。因在此领域做出的突出贡献，2016年9月，薛院士团队获得首届未来科学大奖物质科学奖”。

薛其坤发现的量子霍尔反常效应，为什么说是诺奖级别的成就？

1879 年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转，那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。

其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法，将左手掌摊平，让磁感线穿过手掌心，四指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。

而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”，这个电势差也被称为霍尔电势差。

简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差

虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。

霍尔效应示意图，作者Peo

人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。

按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 应随B连续变化并随着n (载流子浓度)的增大而减小，但是到了 1980 年，著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。

这被称为整数量子霍尔效应，后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。

当时，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。

但是在1982年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了?和?两个平台。之后他们制造出了更纯的样品, 更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG, 这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG 的量级). 这样的实验技术令人叹为观止，他们也因此观察到了更加丰富的结构: 他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。

冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖，而崔琦和史特莫则获得了 1998 年诺贝尔奖。到了2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，斩获2010年的诺贝尔物理学奖。

简单来说，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小，仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被“锁住了”，要想导通电流只能走导体的边缘。

量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同. 横向电阻是量子化的:

2018年12月18日，英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》，这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

后来，中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现，人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性，还能应用于特殊的载流子传输系统。

这个时候，就要讲到量子反常霍尔效应了，因为霍尔效应实现量子化，有着两个极端苛刻的前提条件：一是需要十几万高斯的强磁场，而地球的磁场强度才不过0.5高斯；二是需要接近于绝对零度的温度。

在此背景下，科学家们又提出了一个设想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，那么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？如果有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？

也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。

我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。因此量子反常霍尔现象也被称为物理学研究皇冠上的明珠。

量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。

2009 年，薛其坤和他的团队也开始了对量子反常霍尔效应的攻坚之路，薛其坤在许多人的眼里，并不算是一个天才。

1963 年，薛其坤出生山东省沂蒙山区的一个小村庄，家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时，农村条件还相对落后，大人们都在为生计而努力。薛其坤也没有做什么物理学家的梦，只是有书读那就读。后来，国家恢复高考的消息传来，薛其坤觉得不能浪费这个机会，就开始用心备战高考。

1980 年，17岁的薛其坤考入山东大学光学系，之所以选择光学系也是因为老师推荐了这个专业，对什么专业都不懂的薛其坤依葫芦画瓢填了这个专业。1984年毕业的薛其坤开始边工作边考研，结果考了三次才考上中科院物理所。1990 年硕士毕业之后，结果又花了 7 年时间才拿到博士文凭。

薛其坤有个外号，叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道，早上7点进实验室，一直干到晚上11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。薛其坤认为自己既然不是“天才”，那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”，才是不容易的。

从2009 年，薛其坤团队经过近5年的研究，从拓扑绝缘体材料生长初期的成功，再到后期克服实验中的重重难关，薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否，还要看一个标志性实验数据——在零磁场中，能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。

他们生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。

2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。

2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2—25800欧姆——世界难题得以攻克。

课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美的句号。

近5年艰苦卓绝的协同攻关，薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。

《科学》杂志的一位审稿人说：“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说：“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”

薛其坤与潘建伟在世界学术领域内是什么水平？

薛其坤与潘建伟在世界学术领域内是一流水面。

潘建伟，男，汉族，1970年3月11日生，浙江东阳人，物理学家，教授，博士生导师，毕业于中国科学技术大学、维也纳大学，博士。2005年8月加入九三学社。

现任九三学社第十三届中央委员会常委、教科卫体委员会委员，中国科学技术大学常务副校长，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，奥地利科学院外籍院士，九三学社第十四届中央委员会副主席，安徽省第十一届委员会主委。西湖大学创校校董会成员。

潘建伟主要从事量子物理和量子信息等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家，取得了一系列有重要意义的研究成果。首次实验实现量子隐形传态及纠缠交换、终端开放的量子隐形传态、复合系统量子隐形传态、16公里自由空间量子隐形传态。首次实现三、四、五、六、八光子纠缠。首次实验验证GHZ定理。

中国航天技术科学家的故事

实现量子反常霍尔效应
清华大学薛其坤院士领衔的团队2013年成功观测到“量子反常霍尔效应”，被杨振宁称为诺奖级的科研成果。“量子反常霍尔效应”的实现既是理论物理领域的突破，又具有极高的商用价值。量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前
”地前进，“这就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”
量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。现代芯片处理器消耗约100瓦的功率，其中有约80%浪费在晶体管材料的能耗。量子反常霍尔效应可以解决电子设备的问题发热，让元器件集成密度大大提高，“上千亿次的计算机能够集成浓缩成一部Pad掌上电脑，或者迷你Pad，走进寻常百姓家，这完全有可能。”
量子反常霍尔效应的示意图：拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应

中国哪些科学家在未来有获得诺贝尔奖的巨大潜质？

获得诺贝尔奖，是很多科研工作者的梦想。诺贝尔奖自成立以来一直都是世界的焦点，获得诺贝尔奖是对科研工作者在自己研究领域做出贡献的最高的认可与褒奖。但是在我们国家，获得诺贝尔奖的人却很少，一直都有很多科学家遗憾地与诺贝尔奖擦肩而过。现在属于中国国籍的诺贝尔奖得主才寥寥几位，他们都是我们国家的骄傲。

之前有一个人做了研究说在未来中国会有多位科学家获得诺贝尔奖。而在我们国家在未来最有希望获得诺贝尔奖的科学家，我觉得其中一定有薛其坤和他的团队，还有潘建伟。

为什么说薛其坤是最有希望获得诺贝尔奖的人之一呢？因为薛其坤和他的团队做出了反量子霍尔效应，量子霍尔效应在物理科学界是一个极具重量的量子反应。而在之前研究它的人在做出了进一步的研究成果之后都获得了诺贝尔奖。薛其坤的研究是物理研究领域在目前为止的一次重大的突破，而且是极具科研和商业价值的研究，那么也应该是在诺贝尔物理奖的评选范围内。

然后就是潘建伟，他和薛其坤一样都是我国物理研究领域顶尖的科学家。他的研究如果取得了巨大的成功的成果，那么他就很有可能去角逐诺贝尔物理学奖。不过因为潘建伟的研究不够具有原创性和引领性，所以在全世界范围内的物理研究领域成为诺贝尔奖得主的可能并没有特别高，但是在中国依然是最有可能成为诺贝尔奖得主的人之一。

反常霍尔效应的霍尔效应

量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场，人类有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题，因此，这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命的进程。
但反常霍尔效应的量子化对材料性质的要求非常苛刻，如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧：材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战，正因为此，美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。被视作“有可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的量子反常霍尔效应，被中国科学家首次在实验上独立观测到。2013年3月16日凌晨，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队，历时4年完成的研究报告在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果，是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。
作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现，量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。自美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应之后，不少科学家凭借在此领域的重要发现斩获大奖。1980年，德国科学家冯・克利青发现整数量子霍尔效应，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦、德国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。
而此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应因为不需要外加磁场，成为多年来该领域一个非常困难的重大挑战。首先，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；其次，它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。因此，这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。
自2009年起，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。截止到2013年的四年来，团队生长和测量了1000多个样品，利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆世界难题得以攻克。
“这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤院士强调说。

潘建伟，王贻芳，薛其坤会不会获得2021年诺贝尔物理学奖？

首先，有人向诺贝尔委员会提 潘建伟，王贻芳，薛其坤 三个人的名字吗？没有人提名，怎么会获奖？这是诺奖的基本规则。诺奖委员会成员不会自己提名，他们是根据世界上各国科学家的提名，决定谁更合适获奖。

目前，中国有多少科学奖有资格提名？那些有资格的人，他们提到到这三个人了吗？所以在获救问题上，回答问题的首先是中国人自己。如果中国的科学家自己不提名，那只能靠国际上知名科学家的恩赐。国内的人似乎在等着别人的恩赐，而不是自己主动提出的。

历史上，诺贝尔奖委员会过去只收到很少的来自中国的提名。美国德国等国，提名自己的科学家上千次，而中国只有十几次。非常少。但是热炒的程度却很高。网友们对诺奖缺乏起码的常识。

当然我们对诺贝尔奖的关注度不应该太高。我们应该关心的是，中国自己设立的科学奖为什么获得不了国际声誉？

围绕着诺贝尔奖，有很多问题需要我们关注，而不是仅仅关注自己。比如，为什么俄罗斯获奖很少？韩国虽然有着三星等著名企业，同样没有获奖，而日本却很多。他们没有获奖和中国对诺奖的关注度，是否有什么联系？

这三位中国著名科学家，2021年都没有获奖可能性，实事求是地讲，他们目前所取得的科研成果都还没有达到获得诺奖的高度和水平。

中国的科学家们任重道远，继续前行。

梦里啥都有

潘建伟肯定拿不到诺贝尔奖的。首先量子通信理论上没有获得重大突破，应用技术也没有完全推广开来，大部分还处在实验阶段。十年，二十年？能广泛地应用吗？这个完全末知。所以，至少今年，潘建伟是没有希望的。

王贻芳，薛其坤倒是有可能。但目前像他们这样大的研究成也很多，西方人本来就不待见中国人。所以，目前也很难。

毫无可能，无开创性的大成果

一个东西，一个奖励，一个标准，一个规则，你要看它的本质是什么？是为谁服务的？是谁提出来的？这是最要紧的，所谓诺贝尔奖，是西方国家为了统治科技的一种手段罢了，这种的奖励当中有很大的意识形态，所以中国人特别是现在，西方国家不喜欢中国崛起的时候，西方所控制把持独裁专制的所谓诺贝尔奖，按照西方人的标准，是不会给中国人的，我们的科学家做的再好，光明的东西再好，总会找出鸡蛋里挑骨头的理由，不让你得到他所谓的诺贝尔，所以中国人，我们不要把诺贝尔奖看的太重，就当他是一个小丑表演而已，中国的科学家得到中国的国家奖励就可以了，我们照样把国家建设的强大，建设的让西方国家忌惮羡慕恨，让我们的人民生活天天向上，这就是超越诺贝尔奖几千倍几万倍的行为，不要跌跌不休的把这个喜欢的诱饵放到嘴边了，抛弃它，丢掉它，埋葬它，诺贝尔奖，那我们生活就潇洒了，各种各样的发明创造就层出不穷了！

诺贝尔科学奖早就政治化了，是给西方阵营国家设的，跟中国没啥关系。中国科学家无论做出多大贡献，获得的可能性都几乎为零！

坦率的讲，中国还需十至二十年的科研积淀才能有所成就。

不觉得这三位有做出什么特别突出贡献的科学成就