原標(biāo)題：勇攀“量子之巔”

來源：經(jīng)濟(jì)日報

原標(biāo)題：勇攀“量子之巔”

來源：經(jīng)濟(jì)日報

61歲！6月24日，國家最高科學(xué)技術(shù)獎迎來有史以來最年輕得主。

他就是發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的著名凝聚態(tài)物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長、巴克利獎首位中國籍獲得者——薛其坤。

薛其坤不是人們口中的天才。他3次考研方獲成功，讀博士花了7年，卻在41歲成為中國科學(xué)院最年輕的院士之一，50歲攻克量子世界難題，如今又?jǐn)孬@中國科技界的崇高榮譽——2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎。

幾十年來，他一直保持“7—11”（早7時到實驗室，晚11時離開）的工作狀態(tài)。世人常說科研枯燥無聊，他卻樂在其中，每每講起專業(yè)總是兩眼放光。有位老院士曾評價他，“吃苦耐勞，異于常人”。對待科研，他追求極致，就連學(xué)生論文中的標(biāo)點符號都不允許出錯。

取得今天的成績，薛其坤說，“1分是天賦，99分是努力”。

書寫傳奇人生

求學(xué)時的薛其坤的確普通。

第一次考研，他以高數(shù)39分慘淡收場；第二次考研，又因物理39分與中國科學(xué)院物理所失之交臂；直到1987年，屢敗屢戰(zhàn)的他才成功“上岸”。可即便在讀研期間，他也沒有一套像樣的數(shù)據(jù)能寫出一篇論文。后來，在導(dǎo)師推薦下，他獲得了去日本東北大學(xué)學(xué)習(xí)的機(jī)會，但由于語言不通，他聽不懂導(dǎo)師的要求，是實驗室里“最不受待見”的學(xué)生，博士讀了7年才畢業(yè)。

接二連三的失敗沒有打翻這艘“從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。薛其坤說，他是沂蒙山里長大的孩子，皮實。確實，如果沒有這種皮實，恐怕不會有后來的逆襲，也不會有量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。

什么是量子反常霍爾效應(yīng)？在一個材料中，電子的運動一般來講是高度無序的，電子和晶格、電子和雜質(zhì)、電子和電子都能形成碰撞，產(chǎn)生電阻、發(fā)熱，從而造成能量損耗。但此時，如果給薄膜樣品外加一個強(qiáng)磁場，在強(qiáng)磁場作用下，電子的運動會像高速公路上的汽車一樣，沿樣品邊緣分道行駛，互不干擾，這個非常有趣的現(xiàn)象就叫作量子霍爾效應(yīng)。1979年，它由德國物理學(xué)家馮·克里青發(fā)現(xiàn)。

既然存在量子霍爾效應(yīng)，那么是否存在量子反常霍爾效應(yīng)——無需任何外加磁場，靠材料本身的性質(zhì)就能讓電子運動變得高度有序？

1988年，美國的霍爾丹教授在理論中提出一種“玩具模型”，可以實現(xiàn)無磁場的量子霍爾效應(yīng)，此后近20年間有物理學(xué)家提出各種方案，但是在實驗上未取得任何實質(zhì)性進(jìn)展。

為什么？量子反常霍爾效應(yīng)需要材料本身既具備磁性又是絕緣體，可由于磁體通常為導(dǎo)體，這是一個自相矛盾的要求。

轉(zhuǎn)折的契機(jī)出現(xiàn)在2005年。那一年，理論物理學(xué)家查爾斯·凱恩、張首晟等成功預(yù)言了一類叫作拓?fù)浣^緣體的新材料。這種內(nèi)部是絕緣體、表面卻可以導(dǎo)電的神奇材料的“出現(xiàn)”，讓這個矛盾的要求有了實現(xiàn)的可能。據(jù)此，2008年，張首晟等理論物理學(xué)家又提出了一個大膽的假設(shè)：在拓?fù)浣^緣體中引入磁性，有可能實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。

“這是理論物理學(xué)家在山頂畫出的櫻桃，山頂有沒有櫻桃，沒人知道。”盡管一切都是未知，但在好奇心的驅(qū)使下，薛其坤還是帶領(lǐng)團(tuán)隊向這座科學(xué)高峰發(fā)起了進(jìn)攻。那時的他一直有個念頭，“能不能像我們崇拜的科學(xué)家那樣，做點更大的、從0到1的成果”。

向著夢想全力奔跑。2012年底，薛其坤團(tuán)隊用“分子束外延”方法，生長出了高質(zhì)量的磁性拓?fù)浣^緣體薄膜材料，最終看到了夢寐以求的實驗現(xiàn)象。這是世界范圍內(nèi)，首次在實驗上觀測到量子反常霍爾效應(yīng)！至此，量子霍爾效應(yīng)家族最后一個神秘成員在實驗上被發(fā)現(xiàn)。

因為這項重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，薛其坤3個字不再普通。他被視為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的傳奇人物，開始迎來人生的高光時刻。

為什么是薛其坤團(tuán)隊

探尋成功密碼，除了要有勇攀科學(xué)高峰的勇氣，還要有尖端實驗技術(shù)和方法的長期積累。

制備一個同時擁有拓?fù)洹⒔^緣、磁性三種特性的薄膜，這是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵和前提。但是，在實際的材料中同時滿足上述3個要求是一個巨大的挑戰(zhàn)。打個形象的比喻，這就相當(dāng)于要培養(yǎng)一個運動員，他既需要有短跑運動員的速度，又要有舉重運動員的力量，還要有花樣滑冰運動員的技巧。其中的艱難可想而知。

幸運的是，做了20多年分子束外延生長的薛其坤掌握了國際領(lǐng)先的技術(shù)儲備：2002年初，薛其坤等人曾開創(chuàng)過一個融合分子束外延設(shè)備、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜三種實驗設(shè)備的超高真空聯(lián)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)展和熟練運用，對拓?fù)浣^緣體材料的精密控制起到重要作用。

不過，只有“金剛鉆”還不夠。馮硝是薛其坤的博士生，2008年秋季學(xué)期加入研究團(tuán)隊。她說，是面對困難不屈不撓的精神，讓他們在這場高手云集的競技中領(lǐng)先一步。

實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的薄膜樣品只有5納米的厚度，相當(dāng)于頭發(fā)絲的十萬分之一，肉眼幾乎看不到。制備這種薄膜材料，需要將幾種元素用分子束外延法一層一層生長起來。但具體怎樣生長，幾種元素如何配比，結(jié)構(gòu)如何搭建，都十分復(fù)雜精妙。

4年來，這樣的薄膜樣品，薛其坤團(tuán)隊生長了1000多個，每一個樣品從生長到完成測試，至少需要三四天。生長、測試，失敗、改進(jìn)，再生長、再測試……“在一次又一次的重復(fù)實驗中，很多時候我們都是在不斷試錯。”馮硝感慨道。

更大的挑戰(zhàn)來自實驗?zāi)繕?biāo)的不確定性。2011年底，薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊終于制備出了兼具磁性、拓?fù)洹⒔^緣三種特性的薄膜樣品。可很快，研究又陷入停滯不前的狀態(tài)，大家有些動搖。

“從理論來看，當(dāng)時我們能想到的所有問題似乎都解決了，但是實驗結(jié)果離最終的成功還非常遙遠(yuǎn)。”回憶起2012年初最困難的那段時光，薛其坤團(tuán)隊成員何珂說，那時大家都很焦慮，壓力很大，“因為研究時間比較長，付出了很多努力，非常擔(dān)心研究就此停滯不前”。

面對蔓延的負(fù)面情緒，薛其坤作為研究團(tuán)隊的“大家長”，給大家講起了他人生中最難熬的那段日子：在日本留學(xué)期間，因為聽不懂導(dǎo)師的指令，他經(jīng)常受到嚴(yán)厲指責(zé)，導(dǎo)致導(dǎo)師和同學(xué)們一起做實驗時，他不敢碰儀器，只在一邊怔怔地看。但為了給中國人爭口氣，他最終咬牙堅持了下來，并取得了一項重要的科研突破，這是日本東北大學(xué)近30年來最重要的一項成果。

“只要敢于正視困難，就沒有過不去的坎兒。”薛其坤為大家加油鼓勁。

事實上，在日本求學(xué)的那段經(jīng)歷不僅磨練了薛其坤的意志，也讓其形成了“7—11”的作息時間，并一直堅持到現(xiàn)在。薛其坤的很多學(xué)生曾經(jīng)較勁，“想趁著自己年輕，和薛老師比一比，看誰先到實驗室，誰最后一個離開”。但多年來幾乎沒人能贏。

“很多時候，大家一起從外地出差回來，已是晚上十一二點，但他還堅持去實驗室，和大家討論實驗。”薛其坤對科學(xué)研究持久的熱情和努力，讓清華大學(xué)物理系教授王亞愚驚嘆不已。

這種超乎常人的勤奮，薛其坤的體會是“累并快樂著”。他說，科學(xué)探秘，就像偵探解謎一樣有趣，“從事科研這么多年，我極其努力，也非常快樂”。

再攀科學(xué)高峰

瘦削的臉上架副眼鏡，無論對誰總是笑呵呵的，在同事眼中，“山東漢子”薛其坤平易近人、天生樂觀、性格豪爽。

“在薛其坤眼里，幾乎就沒有什么東西舍不得送人。”有位老師這樣感慨。

對此，王亞愚深有體會，“我們?nèi)忾_會，薛老師會拿自己的錢給學(xué)生發(fā)零花錢。他手里存不住東西，經(jīng)常有哪個學(xué)生夸他的東西好，他當(dāng)場就會送給人家”。

在學(xué)生眼里，導(dǎo)師薛其坤大部分時候和藹可親，會經(jīng)常買些牛奶、夜宵、營養(yǎng)品送給他們，但若犯了錯，他也會狠狠批評。

有一次，他像往常一樣去實驗室，恰巧碰到一位學(xué)生在電腦上瀏覽無關(guān)網(wǎng)頁，薛其坤頓時火冒三丈。“你們現(xiàn)在擁有這么好的實驗條件，卻不知珍惜。這不只是在浪費自己的時間，也是在浪費科研資源！”學(xué)生頭一次見他發(fā)這么大的脾氣，卻也明白“薛老師這是既生氣又心痛”。

在實驗技術(shù)與科研訓(xùn)練中，薛其坤對學(xué)生們的要求更是近乎苛刻：對于實驗儀器要長年累月準(zhǔn)確無誤地操作；寫論文，就連標(biāo)點符號也不能出現(xiàn)錯誤。

薛其坤認(rèn)為，這種追求極致的科研態(tài)度，是一個科研工作者不可或缺的品質(zhì)。他常常對學(xué)生說，物理實驗的成功是建立在扎實的基本功之上，如果沒有精湛的實驗技術(shù)和細(xì)致操作，就很難取得重大的科研成果。

如今，在量子反常霍爾效應(yīng)之后，薛其坤繼續(xù)享受著攀登科學(xué)高峰帶來的快樂。這次，他帶領(lǐng)團(tuán)隊瞄準(zhǔn)了兩個難題：一個是在更高的溫度下甚至室溫下嘗試觀測到量子反常霍爾效應(yīng)，讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用；另一個是高溫超導(dǎo)機(jī)理。

他充滿期待地說：“如果我們把謎底揭開了，就有可能設(shè)計出高溫超導(dǎo)材料，在室溫下甚至更高溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)，這將是對全人類的重要貢獻(xiàn)。”

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