摘要：知乎答主 @浅斟低唱 （蔡家麒）近日斩获凝聚态青年物理学最高奖麦克米兰奖，获奖后他在知乎分享了自己的主要研究成果与科研感悟：他的核心工作聚焦零磁场分数量子反常霍尔效应（FQAHE）：2022 年末至 2023 年初，他所在的华盛顿大学 Xiaodong Xu

知乎答主 @浅斟低唱 （蔡家麒）近日斩获凝聚态青年物理学最高奖麦克米兰奖，获奖后他在知乎分享了自己的主要研究成果与科研感悟 ：他的核心工作聚焦零磁场分数量子反常霍尔效应（FQAHE）：2022 年末至 2023 年初，他所在的华盛顿大学 Xiaodong Xu 团队，在 tMoTe₂ 材料中观测到 FQAHE 输运信号，还联合多团队搭建实验体系、积累相关经验。这一发现为任意子物理研究提供了新平台，后续也推动了该领域多项拓展探索。

蔡家麒（知乎用户 @浅斟低唱）获凝聚态青年物理学最高奖麦克米兰奖，他的主要研究成果是什么？

答主：浅斟低唱

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先来谈工作。2023 年我已经在知乎上简单聊过一次 FQAHE 的背景与早期实验，这里借机补充一些进展，也顺便分享一点个人体会。

2022 年末至 2023 年初，我们（UW Xiaodong Xu 团队；Eric 等，Science 2023[1]；Jiaqi Cai、Eric 等，Nature 2023[2]）在获得 tMoTe2的 磁学与光谱学证据后，迅速开展了零磁场 FQAHE 的输运研究。虽然咱们课题组并非「输运出身」，但在系里多位老师（如 David Cobden[3]、后来加入的 Matthew Yankowitz [4]等）、两代博士生和博后的协力下，我们逐步建立起对极低温输运、以及「低温输运 + 光学」联合测量的能力与认知。

事实上，在做 tMoTe2 之前，我们已在多类体系积累了输运经验： 二维磁性隧穿结[5]、二维磁性金属[6]、磁性拓扑绝缘体（MnBi2Te4)[7]、磁性掺杂 (Bi/Sb)2Te3[8]、二维超导（NbSe2、NbSe2+Bi2Se3）[9]、转角石墨烯（转角双层[10]、1+2 层[11]、tBLG+WSe2[12][13]）等。配套地，我们也逐步完善了 PPMS、稀释制冷机等 仪器[14]，以及面向 TMD 的接触工程与界面洁净处理等关键工艺。如我前文所述，

其实我一点也不惊讶最后的 FQAHE 观测来自于华盛顿大学物理系。如果说磁性和拓扑，Xiaodong Xu (下称 Xulab) 课题组 (Bevin Huang, et al) 实验上发现了二维材料中第一个本征磁体 CrI3，而 David Cobden, Xulab 课题组 (Zaiyao Fei, 现南京大学教授）则发现了二维材料中第一个本征拓扑绝缘体。华盛顿大学物理系有着非常深厚的二维材料器件制备、表征、理论等功底。

更令人振奋的是，2023 年底 MIT Long Ju 团队在 hBN 对其菱角堆垛五层石墨烯（hBN-RPG）中同样测得了 FQAHE 的输运信号[17] ，表明 FQAHE 可能在多类人工材料平台中广泛存在。该工作的一作 Zhengguang Lu（FSU）与我共同获得了今年的麦克米兰奖。

FQAHE和FQHE有什么本质上的不同？

我的理解是「既是、又不是」。在强磁场下的 FQHE 中，任意子（ anyon）带电且倾向于强局域化，不易形成「离域化的 anyon 气体」。而在零磁场、具晶格的 FQAHE 中，任意子有机会在晶格上真正离域，甚至形成能带，并在低温下进一步出现其它 anyon 的量子相——这提供了一个更「晶格化」的任意子舞台。当然，这一段更偏理论直观，我并非该方向的专门理论专家，欢迎指正与交流。

实验凝聚态物理中，常见的「温度台阶」包括：室温（300 K）、液氮（77 K）、He-4 温度2–4 K（He-4 蒸发）、He3温度~300 mK（He-3 蒸发）、稀释制冷（几到几十 mK）以及超低温（ 展望未来，我们希望在更多体系中把分数化物态的「工作温度」继续推高。

MoTe2 是一个很特殊的二维半导体，有诸多优良的性质。光学带隙在近通讯波段；它 (以及 R-转角MoTe2) 也是一个直接带隙半导体，因此和光有非常强的耦合。我在组里做过不少直接带隙的半导体，(t)MoTe2 很亮很亮。MoTe2 在材料性质上也很神奇，通过强 THz、应力等等，可以把它调控成另一个相 (1T MoTe2)，这个材料本身是一个疑似拓扑超导体。

对于 tMoTe2，我们可以使用自由空间光学（一般 2-4K 最为方便）、更高温度的扫描探针实验、对 anyon 物理进行精细的研究。再者，零磁场容许更多的超导技术，我们也能使用超导相适应的极低温量子探测技术（扫描纳米 SQUID、甚至以后的 qubit 微波光子学实验等等），也可以把超导体耦合在 FQAH 中，有可能获得更多不可思议的物态，甚至能畅想怎么继续 FQH 未竟的 FQH-拓扑量子比特实验。

新实验与「后续故事」

在这样一个背景下，我们就不难理解随后各个课题组开展的一系列探索工作了：

2024年

1. 扫描微波阻抗显微镜 (sMIM)[18]

斯坦福大学（沈志勋教授团队，器件由华盛顿大学 Xiaodong Xu 教授团队制作）：

本研究提供了分数量子态的 真实空间成像，并首次在该系统中发现了一种新的分数量子 Jain state，这得益于局域测量技术。更有趣的是，它揭示了在 v=−2/3 处的一系列相变：

体绝缘体（FQAHE）→ 金属 → 绝缘体（可能为电荷密度波，CDW）→ 平庸金属。该文章的主要作者 Zhunrun Ji，即将作为AP加入MIT[19]。

2. 扫描超导量子干涉器件 (sSQUID)[20]

加州大学圣塔芭芭拉分校（Andrea Young 教授团队，器件由 Xiaodong Xu 教授团队提供）：

本研究展示了分数量子态的真实空间磁成像，并估算了能隙大小。同时，它揭示了器件中的莫尔尺度无序，这限制了输运测量能隙的准确性。

一个重要的发现是：提升莫尔超晶格的均匀性可能显著增强 FQAHE 的稳定性，甚至可以在约 5K 的温度下实现。

这个实验充分应用了 FQAHE 可以和零磁场下超导共存的特性。

3. Trion 发光探测测量复合费米子液体[21]

华盛顿大学（Xiaodong Xu 教授团队）：

通过 tMoTe₂ 目前独有的 Trion 的发光偏振，这项研究检测到了此前光学测量中难以观测的 v=−1/2态，这是一种异常复合费米子液体的候选态。

该态的伪能隙通过 Trion 发光的偏振下降表现出来，因为 Trion 的形成会破坏复合费米子（电子 + 两个 Berry 通量），从而形成能量障碍。

这个实验充分应用了 tMoTe2 和光耦合强的特性。

4. 引入超导。类似MoTe2的很多碲化物，都可以被Pd引入超导。[22]

2025年

1. tMoTe2 中第二个能带半填充(v=-3)的磁性和拓扑。2025年初，UW Xiaodong Xu教授团队[23]和李听昕团队[24]独立报道了MoTe2上第二个能带半填充上的磁性和拓扑特征。

2. tMoTe2 、tWSe2 中扫描隧穿电镜直接观测到层间极化skrmion 的结构。(Nature Physics: UW Matt Yankowitz团队[25]和上海交通大学王世勇、李听昕团队[26]，UT-Austion Chih-Kang Shih、理论Allan Macdonald团队[27])。

3. 哥伦比亚大学 Xiaoyang Zhu 组用瞬态光谱学发现 tMoTe2 有几十个属性暂时还不清楚的态[28]。

4. 斯坦福大学沈志勋教授组[29]、牛津大学[30] 陈宇林、陈成等人(现已在上科大物质科学学院[31])利用 nano/micro-ARPES 绘制了 tMoTe2 的能带、 确认了直接带隙特征 。

5. 上海李听昕教授团队更新了最新的利用高质量晶体和极高质量器件的大新闻[32]：2/3态参杂附近看到了超导，部分 RPG (无hBN) 的超导中的磁性超导物理和 hBN-RPG 中的「再入」QAHE 也可以出现。

6. UW Xiaodong Xu 团队[33]和 ETH-Z TomaszAtac 团队[34](UW Xiaodong Xu 团队样品)使用光学调控磁性拓扑态: 光学可以操控控制 tMoTe2 中的磁性，因此可以用光来「作画」，形成光可控的磁畴。

7. The party is not over!

关于麦克米兰奖

聊聊这个奖，但是也希望不要太过庸俗。首先，这个 FQAHE 发现是在 Xiaodong 的带领、指导下，很多理论、实验合作者帮助，尤其是两代博士生 (Heonjoon Park, Eric Anderson和我，以及其他人) 共同付出下做出来的 ，我可以说主要是「获奖代表」。

老板带着我们三个干：从左到右: Xiaodong, Eric, 我, Joon

合作者（部分）

对麦克米兰奖，我有特殊的情怀。历史上，有不少极优秀的华人凝聚态物理学家都被授予了本奖，包括我们熟悉的王亚愚老师(清华，发现铜基超导中 Wang-Ong's vortex liquid)、Liang Fu (MIT，预言三维拓扑绝缘体)、Yuan Cao等。 2021、2024、2025，此奖分别授予了转角石墨烯中的超导、hBN-转角石墨烯中的轨道磁性、 tMoTe2 和 hBN-菱角石墨烯中的 FQAHE。

威廉-麦克米兰 (Bill) 是一位有魅力物理学家，在早逝的生命中迸发了极大的创造性[35]。

The best student of John Bardeen at least since J. R. Schrieffer, the most successful of several outstanding products of the postdoctoral program at ATT Bell Labs during its greatest period - P.W. Anderson

Bill是苏格兰裔，出生在阿拉巴马州的Little Rock。比尔是两兄弟中的长子，在小石城还有一些比他小的堂表兄弟。他是这群孩子中的领袖，并因其总是为各种恶作剧主动承担责任等品行。

他在高中时就是一名出色的学生，还领导了一支赢得全国比赛的爵士乐队。后来在大学期间，他组建了多个乐队，几乎能演奏任何乐器，并以此赚取零用钱。

他获得了电气工程学位，暑假期间曾在RCA（在那里他首次萌生了用贝尔实验室的晶体管自己造一台计算机的雄心）和位于波基普西（Poughkeepsie）的IBM公司实习。

博士毕业后，Bill 师从二次(晶体管、超导)诺奖得主 John Bardeen 做博士后，写出了一篇现在我看上去简直是震撼的论文[36]：超流 He4 的 Jastrow 乘积波函数的 density density correction，可以完全被等效于一个经典玻尔兹曼气体（在某个特殊的势能下）。长程部分可以靠声子谱确定、短程部分可以通过接触势的薛定谔方程决定，而中间部分可以有效的使用变分法最小化。整个系统很适合蒙特卡洛数值模拟。 近20年后，Robert Laughlin 使用了一样的方法研究了他猜出来的分数量子霍尔态的波函数[37]。

这篇论文标志着比尔成为新一代理论物理学家的先驱，或许也是其中最优秀的一位。他和上一代形式主义理论家一样，对多体理论的数学方法和概念驾轻就熟，但他还多了一个维度：对电子计算机的精巧运用。他并非采用原子级别的蛮力直接模拟，而是将计算机与当时最先进的形式理论相结合。如今，计算机技能被视为理所当然，几乎所有任务都有现成的软件可用；但我感觉，比尔当年的成就即便放到现在，也仍然接近于可能性的极限。

当时已是诺贝尔奖得主的约翰·巴丁，几乎是直接指定我们贝尔实验室录用比尔为博士后，从而延续了比尔职业生涯的单一轨迹发展，我们对此也欣然接受。他于1964年抵达，就在罗威尔（Rowell）、托马斯（Thomas）和安德森（Anderson），以及施里弗（Schrieffer）、威尔金斯（Wilkins）和斯卡拉皮诺（Scalapino）发表了两篇《物理评论快报》之后。这两篇论文确立了超导隧穿谱学作为一种半定量方法，用于将真实金属中的电子和声子数据与超导电性关联起来。

随后就是大爆发时代：使用 BCS 理论微扰的求解了著名的 Eliashberg 方程，准确解释了隧穿谱学实验，提出麦克米兰极限、发展了液晶理论（以至于自己用废弃设备亲自尝试做实验。。）。

在他生命的最后两年，他专注于随机伊辛模型（即自旋玻璃）。为此，他利用特殊的高速芯片和自己所有的编程技巧，在地下室里建造了一台专用计算机。我不确定文献中是否已有比他那些年发表的几篇论文结果更可靠的数据。

回顾Bill的一生，他是一位理论、实验、数值都精通的全能物理学家，把计算技术引入了抽象的场论、多体理论，还亲自做实验、搞电子仪器的设计。

对有志青年的一封邀请：凝聚态物理实验之美

借这个机会，向更多对物理充满好奇的同学，尤其是本科生与博士早期同学，发出邀请： 欢迎加入我们，一起探索和领略凝聚态物理实验的魅力。 现在几乎可以说是凝聚态物理的「黄金时代」：

如果你看到这里，肯定已经对「分数量子反常霍尔效应」「任意子」「二维材料」这些名词有了兴趣，也许只是对「世界是如何运转的」怀着朴素的好奇。不论哪一种，我都真诚地邀请你走近凝聚态物理实验，去触碰这个世界上最真实、也最富想象力的一面。

我自己是从本科一路摸索过来的，从高能理论到量子模拟，再到实验。

我以前从最初接触二维材料的时候，我并不知道未来会和 tMoTe₂、FQAHE 结缘，更不知道有一天会在毫开尔文的低温下，用几根细得像头发的金线和一堆看似普通的仪器，去测量那些抽象的「分数电荷」和「任意子」。但正是一次又一次把想法变成实验的过程，我明白： 凝聚态实验的魅力，不仅仅在于结果，更在于你可以亲手参与自然的每一个细节。 从干净到极致的晶体生长，到纳米尺度的器件制备，从和理论同学深夜讨论一个奇怪的相变，到在稀释制冷机前等待数据的漫长时光，每一个步骤都在考验我们的好奇心、耐心和创造力。

很多同学可能会觉得物理实验「太难」「太冷」，甚至觉得做实验是一种「技术劳动」。我想说： 实验的难，不是为了把人挡在门外，而是为了在跨过门槛的那一刻，真正体会到创造的喜悦。 我还始终记得，第一次测量量子霍尔态，教科书上的数据，在自己的样品上被清晰测出。它不是简单的「重复他人的发现」，而是一种和自然对话、与世界互动的真实体验——你会感觉自己离自然规律更近了一点，离未知更近了一点。

更重要的是，现在几乎可以说是凝聚态物理的黄金时代。二维材料、量子拓扑、强关联体系、量子计算、光量子技术…… 无论你是喜欢理论、还是喜欢动手实验，都能找到属于自己的舞台。 我们这一代人有机会去回答前人无法触及的问题，也能把量子物理真正带向工程化和应用化的未来。这是一个少有的、既需要想象力，也需要行动力的时代。只要你愿意投入，就会发现世界上仍有大量未被探索的「处女地」，等待着新的思想和新的实验去开辟。

与此同时，人工智能的赋能正在快速改变科研的面貌：从自动化实验平台、智能数据分析，到材料预测、模拟，AI 已经开始成为我们探索未知的重要伙伴。它既能帮助我们更快地发现新现象，也能让年轻研究者在更短时间内积累实验和理论的「复合能力」。

当然，这条路并不轻松。它需要你接受漫长的学习曲线，需要你在一次次失败中保持耐心，需要你在黑暗的实验室里熬过无数个夜晚。 但请相信，这一切都是值得的。 正是这些挑战，塑造了我们看待世界的方式，也让我们在面对未知时，能够更冷静、更从容。

这个过程中，或许不一定要立刻做出惊天动地的成果，也不一定非要留在学术界； 重要的是，你可以在这个过程中，亲身体验到科学探索的乐趣，训练出理解复杂系统的能力。 这些能力和体验，将伴随你一生，无论未来选择科研、工业、创业，都会成为最宝贵的财富。举个例子，美国最大的两个量子计算投资巨头，谷歌和IBM，其lead scientist和CTO分别是Pedram Roushan (普林Ali Yazdani组的博士、STM出身)和Oliver Dial (MIT Raymood Ashoori组的博士、输运实验出身)。

至于麦克米兰奖？建议还是先放轻松：让稀释机保持低温、再让 GitHub 保持绿格前进。 把该拧的螺丝拧好，该干好的代码 push 上去，让自己的agent保持高效打工，纯享受科研就好了。:)

来源：小镇评论家