量子自旋霍尔效应获2020年诺贝尔物理学奖-资讯-知识分子

量子自旋霍尔效应获2020年诺贝尔物理学奖

2021/10/05

导读

凝聚态物理研究的对象是物质的各种性质：铜为什么能导电，而橡皮就不能？为什么水会结冰，会变成蒸汽？等等。这个领域与应用，与世界经济发展，与人类的日常生活都有密切关系，所以是物理学中特别重要的领域。张首晟在此领域做出多项重要工作。其中最重要的是：关于量子自旋霍尔效应（QuantumSpin Hall Effect，QSH）的震惊物理学界的工作。物理学界普遍认为张、Kane 和 Molenkamp 一定会得诺贝尔奖，现在张不幸逝世，我相信 Kane 和 Molenkamp 早晚会得到诺贝尔奖。

Charles L. Kane

Eugene Mele

Laurens W. Molenkamp

2020年北京时间10月6日5点45分，诺贝尔物理学奖授予美国科学家查尔斯·凯恩（Charles Kane）， 尤金·米尔（Eugene Mele）和劳伦斯·奥兰坎普（Laurens Molenkamp），以表彰他们在xxx方面的贡献。

撰文 | 孙飞

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Kane最重要的物理贡献是理论上预测到量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体。他也因为在二维和三维拓扑绝缘体方面的开创性工作与华裔科学家张首晟和Haldane共同获得了2012年Dirac奖。

自本·富兰克林时代以来，我们开始根据电的性质上区分物体，它们要么导电，要么绝缘。但是这一概念被 Charles Kane 和 Gene Mele 彻底改变，他们二人预测了一类新的材料—— “拓扑绝缘体”。这些材料的边界是不可接触的导体，但其内部为绝缘体。他们的发现对量子计算中的 “太空竞赛” 具有重要意义，并可能引发在计算中保证巨大的能量效率的新一代电子设备的诞生。拓扑绝缘体还为关于物质和能量的基本性质等深层问题打开了一个窗口，因为它们表现出类似于物理学基本粒子（电子和光子）的粒子状激发，但这种激发可以在实验室以电子和光子无法做到的方式进行控制。这些连接提供了一种新的概念框架，可用于控制不同物质状态下的电荷、光，甚至是机械波的流动。

量子自旋霍尔效应

查尔斯·凯恩（Charles Kane）和尤金·米尔（Eugene Mele）首先提出了量子自旋霍尔效应，这是对于2016年诺贝尔奖得主Haldane提出的整数量子霍尔效应的进一步的发展。可以简单的理解为，整数量子霍尔效应在考虑了电子向上和向下的两种自旋之后的新版本，即自旋向上和自旋向下的电子分别表现出类似整数量子霍尔效应的性质，一种自旋的电子只能朝着一个方向运动，而另一种自旋的电子朝着另一个方向运动。整体来看，虽然两种自旋的电子运动产生的电流会相互抵消，但是存在自旋流的特征。在这种体系中有两个特征格外重要，一个是时间反演对称性，另一个是较强的自旋轨道耦合。

自从理论上对于量子自旋霍尔效应做出预测后，实验物理学家就没有停止过对于其实验发现的探索。石墨烯是大家第一个考虑的候选者，但是由于石墨烯体系中自旋轨道耦合太弱，很难真正实现量子自旋霍尔态。1987年，Pankratov等人在理论上提出了CdTe / HgTe / CdTe量子阱中实现量子自旋霍尔态的构想，即将HgTe薄片夹在两片CdTe之间，构建不同厚度的HgTe量子阱。当HgTe薄片很薄时，该系统是普通绝缘体，而当HgTe片的厚度逐渐增加时，会出现HgTe能带结构的翻转，系统的体带隙闭合成为半金属，随后闭合的能隙将会重新打开，重新打开的能隙已经具备能能带翻转的特征，与原本打开的能带相差巨大，在这个具有能带翻转的能隙中，可以实现量子自旋霍尔态。德国维尔茨堡大学Molenkamp教授领导的研究组在2007年的一篇Science论文中宣布实验上成功实现了量子自旋霍尔效应。

拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是量子自旋霍尔效应之后发展出的的一个全新的物理概念。我们知道生活中的材料大体上有导电和不导电两种状态的区分，分别叫导体和绝缘体。所谓拓扑绝缘体指的是一种表面导电，内部不导电的神奇状态。在大多数拓扑绝缘体中，电子带结构与普通绝缘体类似，即费米能级介于导带和价带之间，不同之处在于拓扑绝缘体的表面上，存在一些特殊导电状态，它们落在整体能隙之内并允许表面导电。这些特殊的表面状态具有自旋方向与动量方向成直角的特性，物理上称之为自旋动量锁定，简单理解就是自旋向上的电子只能朝着一个方向运动，自旋向下的电子只能朝着另一个方向运动。

上面提到的量子自旋霍尔效应和实验中发现的CdTe / HgTe / CdTe量子阱结构恰恰就是一种二维的拓扑绝缘体。物理学家们进一步的又开始思考三维体系中是否也存在有类似的性质的系统，即三维拓扑绝缘体。第一个实验实现的三维拓扑绝缘体是Bi1-xSbx。利用ARPES（角分辨光电子能谱）的实验手段，观察到Bi1-xSbx体系中存在理论语言的表面态的交叉性质，并且体态中存在所谓的能带交叉的Dirac费米子。这一结果证实了三维拓扑绝缘体的存在。

后续

拓扑绝缘体之后，这一领域的发展仍然没有停止脚步，并相继在理论和实验上分别又发展了拓扑Dirac半金属，拓扑Weyl半金属，拓扑Majorana半金属等新奇的拓扑量子状态，这一领域目前仍然是凝聚态物理最为前沿的领域之一，吸引着无数理论和实验物理学家的探索。

查尔斯·凯恩

（Charles Kane）

查尔斯·凯恩生于1963年1月12日，于1985年在芝加哥大学完成学士学位，并于1989年在麻省理工大学取得博士学位。之后，他加入了IBM的沃森研究中心做博士后研究员。他于1991年以助理教授身份加入了宾夕法尼亚大学物理天文系，并于2006年成为教授。2016年起，他担任宾夕法尼亚大学克里斯托弗·布朗特聘教授。

Kane教授的研究方向是凝聚态体系中的量子理论，包括介观物理学，拓扑电子学，强关联电子体系，无序电子体系，量子场论和量子多体理论。他的主要成就是提出了与许多与拓扑绝缘体相关的关键理论，包括和合作者一起预测了二维体系的量子自旋霍尔效应，也就是拓扑绝缘态；将拓扑绝缘体的理论从二维体系拓展至三维体系；以及预言了凝聚态体系中的马约拉费米子，或可用于实现拓扑量子计算。他的贡献促使了拓扑绝缘体研究领域的诞生并推动了该领域的蓬勃发展。

Kane教授是美国国家科学院院士、美国物理学会会士。由于Kane教授在拓扑绝缘体中的杰出贡献，他此前获得了欧洲物理学奖、奥利弗.巴克利奖、西蒙斯研究人员奖、ICTP狄拉克奖、物理学前沿奖、知识前沿奖等众多奖项。

2019年，他获得基础物理学突破奖，其获奖理由是“对于有关物理学中的拓扑和对称性的新想法，导致了对仅在其表面导电的新型材料的预测。”

尤金·米尔

（Eugene Mele）

尤金·米尔1978年毕业于麻省理工大学，获物理学博士。此后在施乐韦伯斯特研究中心工作3年，1981年进入宾夕法尼亚大学工作，1989年至今担任宾夕法尼亚大学物理学教授职位。

米尔是凝聚态理论家，对低维物质形式的电子性质具有研究兴趣。他的工作研究了空间限制对低能量子力学机械自由度的影响，以及由此产生的电子行为对系统尺寸，形状和对称性的依赖性。他的工作为与运输和光学性质有关的低能现象学提供了一些广泛使用的理论模型，并将其应用于固体表面和边缘，纳米结构，分子固体和各种形式的拓扑量子物质。米尔和他的合作者在预测量子自旋霍尔效应，相关工作揭示了半导体的半金属和半金属电子态的拓扑特性方面得到了广泛认可，并且更广泛地将量子几何原理应用于电子结构理论中的问题。米尔小组正在进行的工作是探索在人造材料中发现的电子行为的范围，这些人造材料是通过堆叠原子薄的二维晶体而形成的，这些晶体对层的组成，取向和曲率进行了细微的修改，从而产生了多种多样的电子行为，包括绝缘，磁性和超导电子态。

劳伦斯·莫兰坎普

（Laurens Molenkamp）

莫兰坎普1956年8月出生于荷兰。他1985年在格罗宁根大学获得物理化学博士学位，毕业后在埃因霍温的飞利浦研究实验室工作至1994年，1994-1999年间在德国亚琛工业大学担任副教授。他于1999年加入维尔茨堡大学，现为实验物理III的主持人，并领导II-VI MBE（分子束外延）部门。他的研究兴趣包括纳米结构中的量子传输，半导体自旋电子学和半导体的光谱学。

他是美国物理学会2012年奥利弗·E·巴克利凝聚态物质奖的共同获奖者，因为他对量子自旋霍尔效应的实验观察，开拓了拓扑绝缘体的领域。他是2013年物理学前沿奖的获得者（入围基础物理学奖）。汤姆森·路透社（Thomson Reuters）将他与查尔斯·凯恩和张守晟一起列入了2014年诺贝尔物理学奖的年度预测候选名单。

Sir Michael V. Berry

Sir Michael V. Berry 教授生于1941年3月14日。他于1962年在埃克塞特大学完成学士学位，1965年在圣安德鲁斯大学取得博士学位。之后，他加入了布里斯托大学，成为科学和工业系博士后研究员。1967年，他担任布里斯托大学物理系讲师，1979年成为教授。他于1988年担任成布里斯托大学皇家学会教授，2006年至今任布里斯托大学梅尔维尔·威尔斯物理教授。

Berry教授的研究领域主要是理论物理，包括物理渐进，量子混沌和半经典力学。他因提出了贝里相位而闻名。贝里相位是经典或量子系统在经历绝热循环过程中获得的几何相位，与拓扑物态息息相关。贝里相位的提出是量子力学基础研究的重大突破，对于完善量子力学理论有着不可替代的作用。

Berry教授于1996年被授予爵位，是英国皇家学会会员、伦敦皇家学会会员、皇家艺术学会会员、瑞典乌普萨拉皇家科学学会会员、皇家学会贝克学会讲师、欧洲艺术科学院院士、美国国家科学院外籍院士、爱丁堡皇家学会会员、印度科学学院院士、伦敦数学学会会员、荷兰皇家艺术与科学学院外籍院士、墨西哥数学学会名誉会员。他曾获得麦克斯韦奖、IOP狄拉克奖、皇家学会皇家勋章、伦敦数学学会内勒奖、惠普欧洲物理学奖、ICTP狄拉克奖、俄罗斯科学院卡皮查奖章、沃尔夫物理奖、盎萨格奖章、伦敦数学学会波利亚奖、洛伦兹奖章、利兹·迈特纳奖章等。

杨振宁曾预言凯恩获奖

此次凯恩获奖，不由得令人想起2018年底去世的华裔物理学家张首晟。

凯恩和张首晟、美国物理学家尤金·米尔（Eugene Mele）共同获得了2015年的Franklin奖。凯恩非常看好张首晟，称赞他有“把深刻的理论之美与现实世界的材料和实验相结合的非凡能力。我认为这是最佳的理论物理”。

张首晟于2018年12月1日离世，终年55岁。杨振宁先生在其去世后表示，Molenkamp、张首晟和凯恩应该共享诺奖。

杨振宁先生在张去世后发表的对张首晟最重要研究工作的文字评价，全文如下：

张首晟是第一流的物理学家

2005-2006年，美国宾州大学（University of Pennsylvania）的C. L. Kane和张首晟独立发表理论论文，指出有些复合物在适当条件下可能有表面导电现象。这两篇文章立刻引起所有凝聚态物理工作者的注意。可是哪些化合物，在何种条件下，才会有此奇特的表面导电现象是一个大难题。

首晟告诉我，他和几位半导体实验物理学家于2006年计算了多种半导体中的量子阱（Quantum Well）的性质，于2006年12月15日发表了一篇文章，预言一种特别的汞-碲-镉（Hg-Te-Cd）半导体量子阱会有表面导电及其他重要现象。半导体有许多种，量子阱的结构有许多可能，他们如何选定了Hg-Te-Cd量子阱？我认为回答是：他们有深入的物理直觉。

2007年德国Würzburg大学Molenkamp的实验团队，根据此建议调试了一个HgTe/（HgCd）Te量子阱，最后发现果然有导电和其他现象。那年11月莫伦坎普团队与张首晟和他的学生祁晓亮联合发表了一篇文章，公布实验结果。此文章是近年来最最震惊物理学界的文章。

物理学界普遍认为张、Kane 和 Molenkamp 一定会得诺贝尔奖，现在张不幸逝世，我相信 Kane 和 Molenkamp 早晚会得到诺贝尔奖。