2013年3月15日，美国《科学》（Science）杂志在线刊发了清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队的最新成果，这是世界范围内，从实验上首次发现量子反常霍尔效应。匿名评审给出了这样的评价，“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”
　提到这里，参与这一课题的清华大学物理系教授王亚愚还是会有些小兴奋。

什么是量子反常霍尔效应
　　对于一般人来说，量子霍尔效应听起来过于专业高深，但是作为凝聚态物理领域中一个重要的量子效应，量子霍尔效应可能离我们的生活并不遥远，科学家们期待着它能在未来电子器件中发挥特殊的作用。
　　提到量子霍尔效应，这位留着一头卷发的年轻人开始滔滔不绝。“比如说这就是一个一般的金属材料或者半导体材料。”王亚愚随手拿起一本教科书形象地比划起来，“里面电子的运动是非常无序的，它们杂乱无章、互相碰撞，这不仅会引起整个电子器件的速度降低，而且会增大能耗并产生热量。但如果我们能加一个非常强的磁场，这时候电子运动就变得有规律了，它们在材料的两端，像高速公路上的汽车一样，有规则地运动，这时候的电子运动不仅速度加快，相互之间也互不干扰，从而使能耗大大降低，这就是一个量子霍尔效应态。”
　　然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到电子器件中。
　　1879年，美国物理学家霍尔发现了霍尔效应和反常霍尔效应，在过去的30年间曾有两次诺贝尔奖颁给了量子霍尔效应领域的物理学家。近年来，斯坦福大学的张首晟等理论物理学家预言在磁性掺杂的拓扑绝缘体中会出现量子反常霍尔效应，此后，在实验中观测到量子反常霍尔效应成为很多凝聚态物理学家梦寐以求的目标，并引起了一场世界范围的角逐。在美国攻读学位期间，王亚愚就在高温超导的输运研究方面做出过出色的工作。而进入清华大学物理系的第二个年头，他就选择加入薛其坤院士的团队，开始了对量子反常霍尔效应的探索。
　　
青年团队攻克世界难题（小标）
　　科学研究没有坦途，这是一场长达四年的征程。王亚愚在项目组主要负责反常霍尔效应的测量，作为一个三十几岁的年轻人，能参与如此重大的研究课题他感到十分兴奋，然而这种兴奋很快就遭遇了实验的瓶颈期。
　　“最开始的时候不要说量子化的反常霍尔效应，就连这些材料在离开超高真空的生长环境后，我们能否获得可靠的输运数据都没有把握。”王亚愚说。由于这些材料的复杂性，课题组遭遇了长达1年多的平台期，反常霍尔效应的数值也始终在极低值徘徊，这让负责测量工作的王亚愚有些沮丧。但他明白，科学研究从来都急不得，特别是面对这样一个艰深的科学难题，更要沉得住气，要有耐心。
　　在王亚愚身上，看不出一丝我们对于实验室科研人员的刻板标签——他既不木讷，也不会无趣。在他的实验室里，学生能带去各种生活用品甚至零食打造自己的小窝，会在记录板中画上每个人的卡通恶搞头像，也会在工作中互相调侃鼓励。
　　他几乎每天都去实验室与学生交流实验结果，这个实验室是王亚愚刚来清华后一手搭建的。在两间高达3.9米的实验室里，他和学生们一起挖好了实验室里装强磁场磁铁的深坑，一起布置好实验室里复杂的线路，一起组装好一台台精密实验仪器，一起对实验设备作调试……不到两年，一个极低温强磁场实验室和一个超高真空扫描隧道显微镜实验室就建成了。王亚愚毫无保留地将自己所掌握的各种相关技术以及物理背景传授给学生，与他们并肩探索科研难题。
　　“我们很幸运拥有一批国内顶尖的研究生。”王亚愚提起他的学生们总会露出不自觉的自豪感，“他们不仅工作勤奋，而且由于思维没有受到束缚，实验的很多关键步骤，都是学生们在具体的工作和相互的讨论中摸索出来的。”
　　有的学生胆子大、有的心细、有的手巧，王亚愚就会尽量给他们最适合的工作，每隔一段时间，整个研究组会坐在一起进行深入的讨论。这是一群极客思想碰撞的交流，大家一起分析实验的所有细节，制定详尽的下一步计划。在不断的磨合交流中，这些有不同专长、不同性格、不同思路的研究人员为了一个共同的目标努力着。
　　就这样，在薛其坤院士的带领下，王亚愚和其他团队成员在过去的4年里共生长和测量了超过1000个样品，在无数次的生长、测量、反馈、调整中，最终获取了最理想的实验结果。
　　许多人都会问，为什么这样一项重要的发现会在中国获得成功？也许事后太多的回溯会显得有些牵强，但毫无疑问的是这两个重要因素，一是优越的研究环境，二就是团队中的人。
　　这个攻关世界课题的中国科学家团队，平均年龄只有30多岁，先后有20多名研究生参与其中。王亚愚说，“我们有一批志同道合的青年学者，跟着这个领域里最顶尖的学者薛其坤院士，与学生们一起并肩作战，这不完全是指导和被指导的关系，在这个过程中我们共同成长。”

探索之路永无止境
　　然而，荣誉只是暂时的，学术研究之路没有止境。“我们下一步明确有两个方向。首先，目前观测到量子反常霍尔效应需要在极低温的情况下，如果想要在电子器件里应用起来，我们需要在更高的温度实现这一量子效应。其次，现在的材料包含了四种元素，这四种元素要经过精确的配比才能达到理想的实验效果，从应用的角度来看过于复杂了，我们还希望能在尽可能简单的材料里也找到这种效应。”王亚愚说，就像大型计算机变身为笔记本的过程一样，要想每一个人都能享受到科学进步带来的便捷，还有很长的路要走。
　　除了繁忙的实验研究，王亚愚还开设了一门凝聚态物理课程，来听课的不仅有清华的研究生、本科生、还有外校的学生。他从不忌惮触碰这一纷繁芜杂、尚存诸多“未解之谜”的领域，“我不在乎是否讲得正确、严谨、系统，我唯一要做的是让学生欣赏凝聚态物理的美妙之处，只要他们对所做的研究工作感兴趣，通常能够迸发出惊人的潜力。”王亚愚说。
　　在王亚愚课件的最后一页写着他给年轻学生的建议，to be passionate, confident, bold and persistent（热情、自信、无畏、坚持不懈），这是他对学生的期待，也是在科研探索中对自己的要求。

专家介绍
王亚愚：清华大学物理系教授，教育部长江学者特聘教授，第十三届中国青年科技奖获得者