薛其坤：如何精確構建量子世界
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下周即將揭曉的2016年諾貝爾獎，中國物理學家薛其坤據稱是大熱門，而引力波，有可能要等到明年。薛老師2013年帶領研究團隊在國際上首次從實驗上觀測到量子反常霍爾效應，並發現了一類全新的低維高溫超導體系，開闢界面超導的全新領域。他也因此獲得未來科學大獎。特別值得一提的是，薛老師界面超導的開山之作發表在中國物理快報上，文末可下載論文。
在我們等待下周好消息的時候，先跟隨薛老師的生花妙筆，走進他精確構造的量子世界。文末有薛老師專訪。
本文由「賽先生」和「未來論壇」授權轉載
如何精確構建量子世界
薛其坤
「東家之子，增之一分則太長，減之一分則太短，著粉則太白，施朱則太赤」，這是兩千多年前楚國小鮮肉宋玉在《登徒子好色賦》中對一個東方美女的經典描繪。如今，藉助高科技電腦合成技術，科學家向我們呈現了這樣一副完美的東方面孔（圖1）。
圖1， 電腦合成的完美的東方女性面孔
古往今來，對於美好事物的追逐和精益求精是人類得以繁衍生息的驅動力。人們常說，差之毫厘，謬之千里。新型量子材料性質的改變可以說是發生在原子級的尺度上，也就是「毫釐」的百萬甚至千萬分之一！因此，在納米甚至原子尺度上精確設計和控制量子材料就成為現代科學研究最關鍵的技術之一。發展於上世紀六、七十年代的分子束外延（Molecular beam epitaxy, MBE）生長技術就是這樣一個可以從原子（構成物質的最小單元）層面構建量子世界的強大武器，其對材料的控制能力完全達到了宋玉對東方美女所描繪的那種意境。
1968年，美國貝爾實驗室的J. R. Arthur 和A. Y. Cho（卓以和）在超高真空中研究 Ga 與 As2 在 GaAs 晶體的表面吸附時意外發現，Ga 原子的存在會促進 As 在表面的吸附。進一步增加 As2，會使得在 GaAs 表面生長出高質量的 GaAs 薄膜。這一發現立刻引起了轟動，要知道在那個年代，無數的科學家正為如何得到嚴格化學配比的 III－V 族半導體包括 GaAs 而絞盡腦汁。
世間最純凈的「噴畫」
分子束外延生長，顧名思義，就是使組成目標樣品的原子或分子定向運動到目標襯底（一般為有確定晶向的單晶）上，並使其按照襯底的晶體結構進行生長。具體到 GaAs，就是使單質的 Ga 與 As分別形成原子束或分子束，然後在合適襯底上相遇並反應形成 GaAs。如何獲得定向運動的原子或分子束呢？類似於加熱燒杯中的水，對靶材加熱，就可以蒸發出原子或分子。但這還不夠，當我們加熱一杯水時，一個熟悉的場景是，水蒸氣很快就被空氣中的粒子散射，傳播距離有限。因此，生長進行的環境一定要是超高真空，對 MBE 而言，通常需要比大氣壓低10-13倍以上的真空。只有在這樣「超凈」的環境中，才能有效的減小靶材原子或分子在到達襯底之前與環境氣體的碰撞，形成準直的分子束。那麼如何保證原子或分子在襯底表面反應並形成外延生長呢？這裡的另一個關鍵就是襯底的溫度。可以想像，如果襯底溫度過低，原子或分子到達襯底後不能充分遷移、反應和晶化，肯定無法獲得好的外延生長；反之，如果襯底溫度太高，到達襯底的原子，特別是分子，極易發生脫附，這不但導致較低的生長速率，更嚴重的是非化學配比薄膜的形成。為了製備組分精確且組分突變的半導體材料，如超晶格和異質結，我們還需要精確控制各個蒸發源的溫度。PID 控制器（比例-積分-微分控制器）的發展使我們對溫度的控制精度達到了1°C 以內，這對獲得組分精確可控的半導體材料、異質結和超晶格起到了奠基的作用。
為了保證半導體器件的性能，半導體材料必須要做得非常的純，往往幾百萬原子中才允許有一個雜質。要做到這一點，MBE 生長不但要在超高真空中進行，而且用作蒸發源的原材料的純度也必須要非常高。以用途最廣泛的化合物半導體 GaAs 為例，As 源材料的純度一般為99.9999%（6N）或者99.99999%（7N），Ga 源材料的純度要在99.9999%（6N）以上。如用作集成電路和微波器件，Ga 的純度甚至要達到99.999999%（8N）以上。
通過上面簡單的介紹，我們現在已經可以勾勒出一個標準分子束外延系統的大致構造了，如圖2所示，它主要包括超高真空系統、蒸發源、襯底加熱台和反射式高能電子衍射儀（RHEED）。
圖2，分子束外延系統示意圖
超高真空系統要用出氣率極低的高級不鏽鋼製成，超高真空則由一系列的真空泵組來實現和維持，包括機械泵、渦輪分子泵、離子泵、鈦升華泵等等。得益於現代超高真空技術的發展，MBE 系統的真空度一般都能達到優於1×10-10 Torr（乇）的水平。在這個真空度下，即使系統裡面的殘餘氣體百分之百地吸附到單晶襯底的表面，鋪滿一個原子層也需要一小時左右。這時的殘留氣體以氫氣為主，而常溫下氫氣很難吸附於大部分材料，因此這裡無疑是地球上最潔凈的地方。生長薄膜所用的單晶襯底則要置於襯底加熱台上，它位於真空系統的中心位置，其溫度的控制與蒸發源類似，都是通過 PID 控制器精確調控，用以優化生長。用於靶材加熱的蒸發源同時指向真空系統的中心（襯底所在處），每個蒸發源可進行獨立、精確的溫度控制，以保證穩定的分子束流或原子束流。對大型 MBE 系統而言，如果設計合適，可以安裝十幾個高純元素的蒸發源，用於多組分複雜化合物薄膜的製備。
MBE 薄膜生長的實時監測則由反射式高能電子衍射儀（Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED）完成。RHEED電子槍發射的高能電子以掠角入射（小於4度），經過襯底樣品表面反射後再以掠角方式到達熒光屏。這種工作機制使得薄膜的生長和實時監測互不干擾，這是 MBE 的另一大優點：在已知的薄膜生長裝置中，RHEED 是唯一利用電子作為探針、原位實時監測薄膜生長的設備。通過記錄分析 RHEED 的衍射花樣和強度，我們可以精確了解薄膜在生長過程中其表面的平整度、結晶的好壞和晶體結構等重要信息。表面越平整， RHEED 信號就越強，衍射條紋也越長。
圖3，分子束外延生長過程
圖3所示的是一個完整的單原子層厚的薄膜在形成過程中零級 RHEED 衍射條紋的強度變化情況。假設在薄膜生長開始前，襯底表面原子級平整，這時零級 RHEED 衍射條紋強度最大，如紅點所示處於峰頂。隨著生長進行，單原子層厚的島開始形成，不同島對電子的衍射無法做到相干疊加，導致衍射強度降低。當島面積總和達到襯底表面一半時，強度達到最低（紅點處於峰谷）。當一個原子層薄膜完全覆蓋到襯底上時，其強度再次達到最大。這意味著一個原子單層薄膜的生長恰好對應於 RHEED 強度振蕩的一個周期。這樣，通過在超高真空外面的簡單測量（這個振蕩有時可以直接用肉眼觀察出來），我們就能知道超高真空裡面薄膜的生長速率，其精確度達到一個原子單層。這是一個了不起的發現，由 Joyce 等人於1981年完成。這個發現也使得 MBE 真正成為原子級可控的薄膜生長技術。在薄膜生長過程中，RHEED 強度呈現周期性的振蕩現象，這就是我們熟知的逐層生長（layer-by-layer）模式。MBE這種生長模式類似於用噴槍逐層繪製作品的方式（圖4），只是這時噴射的「顏料」變成了原子或分子氣體。
圖4，藝術家正在街頭創作噴畫作品
自發調節的量子奇觀
下面談談 MBE 最強大的一個功能：對材料化學成分的精確控制。我們以最有代表性的化合物半導體材料 GaAs 來闡述其奧秘。在這之前，我們先複習一下基本知識，即元素的蒸汽壓特性。
圖5，元素的飽和蒸汽壓－溫度曲線
如圖5所示，增加溫度，元素的飽和蒸汽壓就會升高，也就意味著濃度更高的原子氣體。Ga是低蒸汽壓元素，Ga蒸汽是由一個一個的Ga原子構成，在900℃時，其蒸汽壓僅為10-4 Torr。As則是高蒸汽壓元素，As 蒸汽是由 As 分子構成（以 As4 為主），在230℃ 時，其蒸汽壓就已經接近10-4 Torr。這些基本性質使得製備具有「絕對」理想化學配比的 GaAs 成為可能，這就是著名的 MBE「三溫度規則」，即 Ga 源溫度＞襯底溫度＞As源溫度。在生長GaAs 薄膜時，我們依照「三溫度規則」設置以下生長參數：Ga 源溫度= 800℃，GaAs 襯底溫度= 600℃，As 源溫度= 240℃。按照蒸汽壓曲線，As4/Ga 束流比大約為15，也就是說單位時間到達襯底單位面積上的 As 分子是 Ga 原子的十五倍。如果它們充分反應形成砷化鎵，那得到的成分與 1:1 化學配比的 GaAs 相差十萬八千里（具體反應產物的成分取決於二元合金相圖）！巧妙的是，襯底溫度600℃ 遠遠低於 Ga 源溫度，在這個溫度，Ga 的蒸汽壓極低，意味著 Ga 原子一旦著陸襯底，它們就不會再脫附，會全部留在襯底安家。相反，在襯底溫度600℃ 時，As 的蒸汽壓已經超過大氣壓強，如果 As 不與 Ga 反應形成 GaAs，多餘的 As 分子會立即從襯底脫附、跑掉。所以，這個 As 富的「三溫度」生長條件，既保證 Ga 不會形成團簇（cluster）或液滴（droplet），從而使所有的 Ga 都能與 As 反應形成熱力學穩定相 GaAs，同時又能保證多餘的 As 全部脫附，從而形成嚴格 1:1 化學配比的 GaAs。
以上這個機制也告訴我們，薄膜的生長速率一般由 Ga（更準確講是低蒸汽蒸元素）的束流確定的。所以我們可以通過控制 Ga 源溫度即 Ga 束流這一個參數就能精確控制薄膜的厚度和複雜化合物如 AlGaAs 的組分（此時的束流為 Ga 和 Al 的束流和），這對實際的材料生長實驗來講是個極大的方便。筆者從1992年開始從事 GaAs 和 III-V 族化合物半導體的 MBE 研究，最大的體會就是 MBE中「三溫度規則」下材料組分的自調節（self-regulation）過程，其精髓實在是妙不可言，而且在以後的拓撲絕緣體和高溫超導等研究中屢試不爽。國際上，許多重要的量子效應的發現和量子器件的發明，如量子級聯激光器也是得益於 MBE 對組分控制方面的超強能力。
新材料，新技術，新世界
正是這種極潔凈的生長環境、高純材料的使用以及上面提到的「自調節」過程對組分的精確控制，使得 MBE 技術成為製備量子材料的強大工具。利用 MBE，物理學家在調製摻雜的 AlGaAs/GaAs 異質結中得到了高質量的二維電子氣，其遷移率可高達3×107 cm2/V?s。這是一個驚人的數字，說明在每厘米一個伏特的工作電場下，結構中電子的遷移速度可達到每秒300公里。顯而易見，這是發展高速、高頻電子器件等所需的理想體系，也是反映人類改造客觀世界能力的一個傑作。獲得1998年諾貝爾物理獎的 Stomer 和崔琦先生，就是在這種高遷移率異質結中發現了分數量子霍爾效應。MBE 技術的發展直接導致了半導體激光器的發展，大大促進了信息讀寫、高密度存儲、高清顯示器、醫療探測和環境監控等方向的廣泛應用，大大改善了人類的生活。
近年來，MBE 被廣泛應用於新的科學前沿，如拓撲絕緣體和高溫超導等研究中。以拓撲絕緣體 Bi2Se3 與超導 FeSe 體系為例，從上述的蒸汽壓參數對應的生長動力學而言，Se 與 As 類似，Bi、Fe 則與 Ga 類似。筆者率領的團隊就是基於「三溫度規則」，在國際上最早發展了拓撲絕緣體 Bi2Se3 家族和 FeSe 超導體系的MBE生長動力學，並製備出了高質量的薄膜材料。
圖6，MBE 生長的 Bi2Se3 薄膜的原子分辨像及實時 RHEED 結果
圖6左圖為 MBE 生長的 Bi2Se3 薄膜的原子分辨圖，該圖像由低溫掃描隧道顯微鏡獲得，圖中每一個亮點對應一個 Se 原子，Se 原子排列成完美的六角晶格。右圖為 Bi2Se3 薄膜生長時，RHEED 衍射條紋強度隨時間的變化，與 GaAs 生長類似，也呈現出周期性的振蕩，體現了很好的逐層生長模式。右圖插圖為實際測到的 RHEED 衍射花樣，這些尖銳的條紋代表薄膜表面具有原子級的平整度。
正是由於在 MBE 生長方面長期的積澱，筆者的團隊與合作者一起於2013年完成了量子反常霍爾效應的首次實驗觀測。量子反常霍爾效應所需要的樣品當然比上面提到的簡單化合物要複雜得多，它的實現表明人們對材料生長和材料物性的同時控制已經達到了一個新的水平，這個實驗即使目前也只有美國和日本等國家有限數目的實驗室才能完成。另一個例子是我們在厘米見方的 SrTiO3 表面精確外延生長厚度僅0.5 nm 的單層 FeSe，這導致了轉變溫度高於65K 超導電性的發現，刷新了鐵基高溫超導轉變溫度的記錄，同時也為探索高溫超導機理開闢了新的戰場。
圖7，MBE-STM-ARPES 大型聯合系統（清華大學物理系）
隨著儀器技術的發展，MBE 也迎來了與其它高精度探測手段，如掃描隧道顯微鏡（STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）、X 射線光電子能譜（XPS）等結合的新的發展階段。這些聯合系統可在不破壞超高真空環境的條件下，使用高精度探測手段對 MBE 生長的樣品進行原位探測，避免了樣品污染，從而能獲得樣品本徵的信息，精度當然也達到了單原子層的水平。清華大學、北京大學、復旦大學、上海交大、南京大學、中科院物理研究所、美國斯坦福大學、哈佛大學、休斯敦大學等許多研究組中先後出現了 STM、ARPES 與 MBE 相結合的超大型儀器。圖7為筆者所在的實驗室的一台 MBE-STM-ARPES 聯合系統，它具備出色的樣品生長功能，並可同時獲得樣品在實空間以及動量空間的電子結構信息。有理由相信，這些系統將在未來凝聚態物理、功能材料等領域的科學研究中發揮重要的作用。
獲獎專訪
請您介紹一下獲獎成果的意義？
薛：量子反常霍爾效應，這是中國科學家基本物理效應發現方面很少見的成果之一，這是在學習物理中的基本規律，是非常重要的效應。從科學的意義來講，在1880年左右，130年前，有兩個非常重要的物理效應，一個叫霍爾效應，一個叫反常霍爾效應。過了一百年後，跟隨著科學的發展，先後三次發現霍爾效應的量子化。這三個都獲得了諾貝爾物理獎。
還有一個就是反常霍爾效應，粒子沒有觀測到過，05年以後，拓撲絕緣體概念以後，團隊4,5年的努力，取得了成果。代表著微觀世界電子物理效應的新規律。
從應用上講，還有很長的路要走。但是從原理上來講，對我們的晶元、電子器件，從理想的反常霍爾效應來講，器件幾乎能耗是非常非常小的，將大大降低耗能。這個發現能為未來我們應用上給電力學發展開闢了新的道路。
作為第一位「物質科學獎」的獲獎者，您有什麼感想？
薛：接到電話時我很激動，作為科學家還是很期待的。當然我不知道候選都是誰，咱也不說期盼，但還是很高興的。謝謝他們。
感想具體來講有以下幾點：
第一，這個獎，獲得很多科學大家的高度承認，這個獎的設計對我們中國科學未來的發展意義還是很強的。這個可以說是中華民族標誌性的獎。中國科學走向最新、中國科學家在世界舞台上走向最新的標誌。需要花費很多精力設計這個獎。因此在這個獎的設計我感覺到，我們中華民族走到今天，這是一個非常重要的標誌。
第二個感想，我非常感動，也非常感謝我們這些企業家和創業領袖的的無私奉獻。這些企業家的年齡大概和我的年齡也都大多相仿。他們創業的歷程在我們中國過去的30年發展中，那是非常的不容易。我們用智慧和汗水換來的財富設立的這個獎，是一個壯舉，一種精神，還是一種歷史的責任感。因為這個獎是弘揚一種科學精神，鼓勵科學家創新，推動國家科技建設，反映了企業家領袖們崇高的理想。他們的做法，對整個科學界都是一個莫大的鼓舞。
第三個感想，我對科學大獎的科學委員會的9位科學家們也非常的感激。他們本身在各自的領域的就有著卓越的科學成就，也都是我本人很尊敬的科學家。作為科學同行來講，還有什麼能比獲得這麼多優秀的同行給予肯定更好的？這是對我一個很大的鼓勵。
另外，我還想講一個我們整個科學的進步包括量子力學反常霍爾效應、高溫超導，也來自於國家的科學政策，給與了我們很好的科學環境，比如經費啊方面的大力支持。如果沒有好的科學政策、好的科學環境、沒有經費的長久支持，你想做這麼一個有意義的科學成果也是非常難。這個獎，獎勵的是一個成果，但是它所反映的問題，還是背後的意義包含很多。
您最近的研究課題是什麼？
薛：第一，量子反常霍爾學；第二，在物理學領域的難題之一高溫超導機理方面的研究，目前有了一些比較重要的進展。
對剛剛踏入物理學研究的新人有什麼建議？
薛：從事物理上的前沿基礎研究，其實是一件非常奇妙的事情。它是理解微觀世界、自然界，是不能用語言所描述的，很難一句話把它講的非常清楚。年輕人如果充滿好奇心，想創新，想揭開大自然奧妙的話，物理學的最前沿的基礎研究是值得年輕人追逐的方向。
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