网易科技讯1月15日消息，未来论坛2017年会暨首届未来科学大奖颁奖典礼在北京举行。清华大学物理系教授、2016年未来科学大奖-物质科学奖获奖者薛其坤在论坛上发表了主旨演讲，他在演讲中介绍了超导领域200年来的发展历程，介绍了他此次获奖成果——量子反常霍尔效应和在钛酸锶衬底上的单层铁硒高温超导现象，并且介绍了发现过程。他认为，通过对这些规律的掌握和不断地研究，人类能够节省大量的能源、获得更可持续的发展。（温泉）
以下是演讲全文：
首先，谢谢张首晟非常亲切地介绍，我们俩应该说在过去十多年的生涯中结下了兄弟一般的情谊，刚才在他介绍的前半部分，实际上就是在友谊的支持下，我们的实验团队沿着他的理论走下去，最后把他理论的梦想变为现实的一个工作。我这次能获得未来科学大奖的物质科学奖感觉非常荣耀，借此机会我首先对未来论坛，未来科学大奖，和未来科学大奖的捐赠者表示衷心地感谢。
今天我给各种观众汇报的题目是，超越欧姆定律的物理学。经过刚才张首晟几分钟的介绍以后，我的报告也不需要再介绍了，基本上他就讲完了，根本的就讲完了，后面我的方向，对一些图片对他的介绍做20多分钟的补充。
说超越欧姆定律的物理学涉及到今天两个重要的科学发现，一是反常霍尔效应，二是高温超导，这两个领域是物理学中从业人员最多的，最热的话题，在物理学赶时髦必须赶这两个。
先介绍一下欧姆定律和老百姓之间的关系，欧姆定律是由一个德国物理学家在1820年发现的，时间长很长了。说的是有一根导线，导线通过的电流应该与加在导线两端的电压成正比，与导线的电阻成反比。电阻的存在大家都知道，可以导致导线发热，导致电子器件发热，所有和电有关的器件都会发热，而且发出的热量是等于通过导线的电流的平方，再乘上电阻和通电的时间。
欧姆定律是一个非常经典的规律，现在还在用它。对一个材料来讲，它的电阻有多大，显然大家都知道和材料的类型是有关系的，金、银、铜、铝都知道，和材料中的结晶，排列好不好有关系，也和材料的类型有关。也和外界条件有关，如果温度高的时候所有材料的电阻会增大，温度降下来的时候所有导电的导线电阻一般会减小。如果你加一个磁铁，这个材料的电阻也会发生变化。
问题和我们的生活非常密切，大家都知道我们每个人都要用笔记本电脑，每一个笔记本电脑，像向的，稍微值钱的笔记度电脑一天大概消耗一度电，大概几毛钱。但是全世界很多人都在使用笔记本电脑，如果有10亿个笔记本电脑，如果现在，像刚才张首晟讲到的，电的浪费有30%，大家可以想像这个电阻发热给人类带来的能源的浪费是巨大的。
年轻的朋友都知道，最近国际上评运行速度最快的超级计算机，其中神威太湖之光每秒的运算速度超过10亿亿次，被评为世界上目前性能最强大的超级计算机。这个计算机很大的一个问题就是发热，为了使它正常工作，每天需要空调把它的发热带来的温度升高降下来。这个制冷所需要的，每天要花的电在一台机器是12万度。我问了我们学校后勤的老师，清华大学每天所有消耗的电量的3倍刚好是这个计算机制冷，维持它正常工作所需要的电。所以尽管超级计算机非常强大，但是因为刚才谈到的欧姆定律导致的发热问题，我们白白地浪费了很多电。
还有一个就是刚才张首晟提到的输电，这也是一个晚上Google地图，全世界的一个地图，从用电发亮强度的大小可以知道，在世界上整个用电量的分布情况。2015年全球发电量大概是20万亿度，你想想人口总数就知道，每个人都分享几千度电。就是中国的话，是消耗了电力的1/4。按照平均输电中欧姆定律导致的电消耗是6%计算的话，全球每年由于输电中的欧姆定律的电阻的存在导致的损耗大概是1.16万亿度，换成人民币是0.6万亿，正好和2015年甘肃省整个GDP相当。所以在人力电气化的100多年中，科学家、工程师效果做的非常重要的一点就是，找到更便宜、导电还非常好的、电阻非常小的金属导线。很可惜的是尽管100年的努力，但是由于自然界提供我们的材料是有限的，所以基本上还是用到主要的输电是用的铝，这方面我们的作为不多。
这个情况在超导的发现以后，和量子霍尔效应的发现使这个情况发生了变化。我先讲讲超导，超导是1911年有一个荷兰的物理学家，卡来林·昂内斯发现的。左下边的图显示了金、银、铜等金属的电阻随着温度、外界条件的变化，温度降低的时候刚才我谈到，电阻一般都要降低。那么把它降到绝对零度，如果你有本事，一直降到人类能降到的极限，零度的话，所有的材料都会停留在一个有限值上，这叫剩余电阻，你去不掉的。但是这位伟大的科学家在测量我们所知道的，比较有毒的水银、汞这个材料的时候，在某一个温度大于400多以后，这个电阻没了，所以实验室能够有最精密的设备都是电阻小到测不到了，超级电阻，最后就变成了一个名词，这个现象叫超级电阻，电阻没有了。
刚才说的欧姆定律和电阻是成正比的，现在没有电阻了，电阻等于零了，如果把超导体通上电流的话，它可以永远永远地运转下去。像刚才张首晟提到的那样，如果我们发现了室温的条件下只有一个超导，只有这种现象，那么这个发明将和电力发明一样重要，因为它几乎不怎么用电，你用一点点电运转就可以一直进行下去。从西部的发电场到北京，几千公里的输电线路中电阻的消耗等于零了。所以室温超导，或更高适用化超导的发现将会大大节省能源，使这个世界的可持续发展有了希望。
在到现在为止超导发现，刚才我说了1911年，现在已经105年多了，在105年中超导研究的主要三个方向，一是和发展是硬道理一样，提高温度是硬道理，我不管物理机制是什么，我只要发现温度很高的超导体。二是你发现了超导，它很贵，和刚才说到的平常的输电都是用的铝，用的铜，金是所有金属导电最好的，为什么不用金，金贵，在座的女士们就消耗了1公斤金，所以降低超导材料的成本是第二个科学家追求的目标。第三是为什么电阻没了，你有一个经典的曲线，在这个发展过程中有几个重要的关键点，一是对着的刚才汞的温度，二是液氦很贵，你要变成超导体要液氦降温，液氦每升100块钱，我们一天要消耗10升，1000块钱，相当于喝一瓶茅台。空气中很多氮气，70%是氮气，氮气冷，液化以后就变成液氮，每升4块钱，相当于矿泉水的价钱，很便宜，所以我们可以用喝矿泉水的价钱使一个材料达到超导，达到77K体系的重要意义。到了室温更了不起了。
这个现象非常奇妙，在超导研究的100多年中先后有9位物理学家5次获得了诺贝尔物理学奖，其中一个就是在座的J. Georg BEDNORZ先生，1986年发现的陶瓷超导材料，他和维乐（音）先生一起发现的，1980年发现的，刚才我讲的重要意义，1987年他就获得了诺贝尔物理奖。张首晟，包括后面的对话人士，沈志勋教授，还有昨天参加我论坛的张富春，未来论坛大奖科学委员会的丁老师，还有张教授都在现场，都对这个领域的发展做出了贡献，都试图理解为什么陶瓷原料会在77K以上的温度还能实现超导。
大前天国家最高科学技术奖赵忠贤先生，在发现77K以上高温超导方面获得最高科学技术奖。但是30多年过去了，没人理解，或者是正确地理解，为什么J. Georg BEDNORZ先生和维乐先生发现的材料会在77K以上还会超导。
我用去年文章的一段话，直接翻译成中文了，的确至少有14位诺贝尔物理学家，这个现象太神奇了，加上成千上万的科学工作者都试图提出理论对这个进行研究，大家都说自己的理论非常好，有时候还是互相矛盾的。大家理解，77K以上陶瓷材料为什么是存在高温超导现象，看成是物理学的一个巨人之战。
自然年轻的朋友会问，为什么30多年来有这么多伟大的科学家，很多人对这个现象着迷，为什么会不理解它，它能像癌症一样是不可攻克的难题吗，还是我们的技术路线走错了，或者是有什么点我们错过了。如果你看看这个材料的结构，似乎结构中隐藏着答案。我们拿最普遍的高温超导材料，陶瓷的铜氧化物，化学公式写在左边。如果看它的结构它就是很神奇，它是由一层氧化铜，它是超导的，后面的氧化碘、氧化氟是不超导，超导不超导罗起来就形成铜氧化物高温超导。如果把氧化铜看成三明治的火腿，两边变把薄了，是不超，中间是超的，你把三明治罗起来就是你看到的高温超导材料。由于仔细看看这个结构，马上给你的一个概念就是，我们今天在座的很多科学家，你用什么工具能够转到超导方面的性质，能测量出来吗？这很难。结构就这么简单，超导非超导罗起来，走一个实验室专门测氧化铜超导的性质，这个很难。所以我们需要发展非常合适、正确的工具，就测量这个火腿，我不测量面包的性质，然后通过测量火腿，这个超导氧化铜的性质，然后再用这个数据去理解，这给了我们这样一种启示。
第二个效应，霍尔效应，这是霍尔1879年发现的。左上方的示意图，在一个导体中通上一个电流，同时在垂直于这个电流的方向再加上磁场，由于电子束的磁场的作用，它在横向也会有电子的积累。我们平常讲的欧姆定律是沿着电流移动方向的，现在由于磁场的作用在垂直电流方向会出现电压，这个电压就叫霍尔电压，是运动的磁场受到磁场外力作用造成的。霍尔电压朝着这个方向出就是霍尔电阻，这是1879年美国一个物理学家发现的。你加的磁场越大，霍尔电阻、霍尔电压越大，你画一个曲线，霍尔电阻和电压是加上磁场是成线性关系的。
100年以后，在座的物理学家，Klaus Von KLITZING先生又重复了这个实验，把样品换成我们做笔记本电脑都用到的硅这个物质，他发现了量子效应，这个效应非常伟大，一般的图大家看不懂。
简单讲三点，第一点，刚才谈的霍尔电阻和电压是随着磁场有线性关系的，右边的红线，电阻是平的，原来的物理机制，霍耳效应的物理机制在这里不适用了。第二点，平台所在的位置可以精确地把它变成一个物理学长处，被正整数N整除，这是无比神奇，在座的观众能找到一个新材料和这个材料没关系的话，我马上请你吃饭。他发现平台电阻的大小，物理学常数和正整数有关，和这个材料一点关系都没有，这是非常的神奇。也就是说这个平台大小理解的背后使我们想到，有制约我们自然界基本规律的东西的存在，所以非常值得研究。第三点，电阻变成像超导一样非常低，是零，就是绿线，红线是平台的地方，对应的绿线的电像超导一样消失了。从这三点来讲你可以想象，量子霍尔效应就是重复100多年前的实验，换了一个样品的实验，结果导致了三点使量子霍尔效应这个神奇的现象出现了，欧姆定律不能解释。
由于刚才讲的三点，这吸引了非常多的人像高温超导一样，大家去忙活，都想理解这个东西。现在我就把整个再回顾一下，1879年霍尔先生发现霍耳效应，他第二年还做了另外一个实验，就把刚才讲到的导体是非负性的，他换成磁性的材料，没有外加磁场的情况下他发现另一个效应，反常霍耳效应，反常霍尔效应和霍耳效应不一样，但关键是不需要外加磁场，是靠磁性材料本身产生的新的物理现象，这是1880年、1879年发生的两个故事。
刚才谈到1980年，亨·克里金（音）先生发现这个霍耳效应。1982年有三个物理学家把样品又换了一下，换成砷化镓，就是刚才用到的激光笔的半导体砷化。结果三年以后亨·克里金先生获得诺贝尔物理学奖。1998年发现分数量子霍耳效应的三个科学家，施特默、劳弗林、崔琦先生，再次获得诺贝尔奖物理学奖。大家知道石墨烯，2015年有两位英国物理学家发现石墨烯半整数的量霍耳效应，2010年再次获得诺贝尔物理学奖。
上一次的诺贝尔物理学奖，第一个诺奖获得者，汉斯先生，因为解释量子霍耳效应这个现象，为什么它被正整除，他提出了一个概念，因为这个他再次获得了诺贝尔物理学奖。所以在霍耳效应及其量子霍耳效应研究过程中，由于刚才我提到的部分让你感觉非常着迷，非常神奇的现象，有很多人获得诺贝尔物理学奖。
你提到1881年霍尔先生用磁性的材料也能实现霍耳效应，你自然好奇地问有没有反常霍耳效应的量子化，量子反常化效应，这就是刚才张首晟提到的。
2016年诺贝尔物理学奖，第二个普林斯顿的霍尔丹先生1988年提出一个模型，这个模型他在最近的论文中指出，我这个模型实验可能非常难以实现。结果最后在2008年左右，刚才主持人张首晟先生在这一点上取得关键的一步，提出我们物理学家能在实验室实验的机制，最后我们取得了成功。实现他们理论预期的霍耳效应是非常有挑战性的问题，我们要按照他们的理论做出有磁性的，还是拓扑的，还是绝缘的，还不知道厚度的薄膜。所以我们形象地把这个实验比喻成就相当于一个人既跑得很快，还有劲儿，还非常灵巧一样。这样我们需要强大的工具把这个做出来。
下面我讲讲我们用到的工具，分子数是在上个世纪70年代贝尔实验室蒋阿瑟（音）发现的，他提出在原始基础上构建材料的工具。你有了这个材料，我还要知道这个材料是什么样的，在原子结构长得什么样。在1981年瑞士的两个科学家发明了显微镜，FTM是我们强大的，在原子制度上检查量子材料好坏的非常强大的工具。我从研究生阶段就跟随在座的陆华（音）先生，到日本的东北大学日井（音）先生学习分子束外延，我回国以后还把这个技术进一步结合起来，像和分辨光电导谱结合起来，不但智力强大，还有完整的表征材料各种性质强大的工具。最后我们就实现了材料的，在原子尺度上达到极致地控制。
大家看看右边这张图，讲的这张图的时候让你晚上睡不着觉的，你的薄弱是原子极的平滑，你放大以后看到原子一个杂质都没有。最后，我们这个团队和物理系的王岩西（音）老师一起完成实验，这是在2012年12月6日完成所有的实验以后，我们这些团队，特别是我们学生和老师合影的照片。
另一个是全新的想法，如果第一个实验室在张首晟，还有理论物理学家的指导下做出的实验，这个就是我在做半导体长期的实验中对高温超导产生的兴趣，对发现的陶瓷材料产生兴趣。我就在原来获得诺贝尔物理学奖的基础上，有了鱼和熊掌兼得的想法。这个想法我不确定，我还特别请了北大的谢心澄老师，和张富春老师，他们是做这方面理论的专家，他们给我指教。我问他们，我花一个小时介绍我的想法，最后他们告诉我的是，你的想法我们不敢认同。所以我们又坚持了四年，用我谈的强大的工具做成单层铁细胞，在原子层薄膜发现了液氮温度以上的信号。
最近的一个进展，刚才我提到的拉一列三明治的火腿也做出来，做的结果就是我在2008年的想法所预期的结果是一样的。
最后北大的王健，还有下面的沈志勋教授，都在这个领域，大家证明了这是在液氮还需要证实一个新的高温体系，1986年证实的超导材料以后，有可能是第二个薄膜，这样的高温超导体系。给我的感觉，争论了30多年高温超导理论很快从问号变成感叹号。
我做一个总结，左边PPT中有很多伟大的物理学家，他们发现了、发明了强大的工具，分子束、显微镜、光电的能谱。有很多物理学家，像本斯（音）先生，亨里克（音）先生又发现很多神奇的现象，我们这个团队就是利用强大的工具去研究这些重要的问题，结果在这个基础上张首晟他们理论的指导下，最终实现了没有磁场的量子霍尔效应。
通过简短的介绍，由于我表达能力的欠缺，不能和环境充分地展现物理有多美。但是我还是想说物理是极其美。如果科学家在这个方向继续努力，我想对我们自然界认识更加深刻。我们可能会发现很多的材料使能源消耗更小，我们的世界会变得更美，消耗的电少，我们的世界也会更加可持续发展，更加安全。所以只要我们努力在研究这些现象，我们不但会了解自然界的物质，我们的自然也会变得更美、更安全。
最后感谢我的合作者，我所有努力的学生，实验，我的伙伴们，还有国家的支持，特别是未来论坛，再次感谢大家。
本文来源：网易科技报道
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