量子反常霍尔效应实验的关键材料
量子反常霍尔效应，对普通人来说，拗口而晦涩。但在物理学家眼中，它神奇又美妙。量子霍尔效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。整数量子霍尔元件效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。
量子反常霍尔元件效应意味着在零磁场中，霍尔电阻跳变到约25800欧姆的量子电阻值。要实现这一不可思议的量子现象，所需要的实验材料必须同时满足三项非常苛刻的条件：材料的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；材料的体内必须为绝缘态，从而对导电没有任何贡献。这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧，其难度可想而知。
在实际的实验材料中要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战，美国、德国、日本等国的一流科学家由于无法在材料中同时满足这三点，而未取得最后的成功。为了在激烈的国际竞争中脱颖而出，我们团队成员进行了合理分工。
高质量的材料是实现这一量子效应的关键，我担任样品生长的总负责，并指定马旭村研究组的何珂带领几位研究生具体进行。反常霍尔元件效应测量则由清华大学物理系教授王亚愚负责。
在拓扑绝缘体研究初期，我就敏锐地意识到，拓扑绝缘体材料的生长动力学与我长期从事的砷化镓研究有非常类似的地方。于是，我迅速制定了实验方案——按照生长砷化镓的方法进行实验，首先建立起拓扑绝缘体材料的生长动力学。
我们团队用三四个月的时间，在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学，实现对样品生长过程在原子水平上的精确控制，使薄膜样品的质量很快达到国际领先水平。这是最重要的一步，迈出了这一步，后面的工作才顺利展开。
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