读/深圳商报记者袁思茹
11月14日，2020“科学探索奖”颁奖典礼上，中国南方科技大学物理系教授张力元获得前沿与交叉领域奖项。获奖理由是“肯定他在观测三维量子霍尔效应方面的成果，支持他在量子拓扑态和调控方面的探索”。
△张力元接过奖杯。
1987年，著名物理学家、哈佛大学教授Bertrand Halperin从理论上预言了三维量子霍尔效应的存在及其测量特性。经过32年的漫长等待，张力元的团队与其他研究小组一起，首次通过实验证实了这一预测，并揭开了三维量子霍尔效应的神秘面纱。相关研究成果近日发表在国际知名学术期刊《自然》上，入选2019年度中国科学十大进展。
当一块金属或半导体放在磁场中，然后施加电流时，通常在垂直于磁场和电流的方向上产生电压差。这就是霍尔效应。1980年，德国科学家冯·克利钦首先在二维系统中发现了量子霍尔效应。从此，对二维体系量子霍尔效应的研究成为诺贝尔奖等重要奖项近40年的常客。
此后，人们开始尝试在三维系统中观察量子霍尔效应。但是，这对实验条件要求极高。如果选取常用的金属铜块作为研究对象，必须施加3000特斯拉以上的磁场才能进入极端量子极限状态。因此，对三维量子霍尔效应方向的研究几乎处于停滞状态。
张力元团队巧妙地选择了一种具有三维层状结构的新型拓扑材料作为研究对象，使其在实验条件允许的磁场下进入量子极限。“我无法猜测这项成果对未来学术研究和日常生活的影响。我能做的就是告诉你，这里有一个钻石矿在向你招手。”张力元说。
研究成果看似“几年磨一把剑”，但张力元说，学习远比“磨一把剑”更有变数。起初，张力元的研究方向主要集中在二维物质系统，这是一个热门且竞争激烈的研究领域。在研究过程中，张力元注意到了三维电子气这个相对冷门的研究方向。不畏“越界”，果断决定调整目标，“边做边学”。研究之初，由于早期样本质量不一，实验结果呈现复杂多样性，研究团队一度迷失。终于有一天，在分析一组常规实验数据时，张力元发现了一个以前被忽视的规律。他立即组建了实验研究小组，进行了一系列重复实验，成功验证了这一规律，开启了研究的突破口。“细心和毅力在科学研究中尤为重要。接下来，我将针对重大前沿科技问题进行深入探索，”张力元说。
自2019年“科学探索奖”设立以来，深圳已有3位科技工作者获奖，均来自南科大。在2019年首批获奖名单中，生物医学工程系讲座教授、材料科学与工程系副教授刘分别获得前沿交叉领域和能源环保领域的“科学探索奖”。
