主題：國家最高科學技術(shù)獎獲得者薛其坤：決戰(zhàn)“量子之巔”


2024-06-24 17:00 來源：經(jīng)濟日報新聞客戶端
　　61歲！6月24日，國家最高科學技術(shù)獎迎來有史以來最年輕得主。
　　他就是發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的著名凝聚態(tài)物理學家、中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長、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歲成為中國科學院最年輕的院士之一，50歲攻克量子世界難題，如今又斬獲中國科技界的崇高榮譽——2023年度國家最高科學技術(shù)獎。
　　他幾十年來，一直保持“7—11”（早7點到實驗室晚11點離開）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?！?br />　　他個子不高、鄉(xiāng)音濃重、為人豪爽，無論是認識或不認識的人有事相求，他都會熱心幫忙。有同事曾開玩笑，“如果放在古代，他就是個大俠?！钡珜Υ蒲校麉s追求極致，就連學生論文中的標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?！?br />　　敢為人先 書寫傳奇人生
　　求學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分與中國科學院物理所失之交臂；直到1987年，屢敗屢戰(zhàn)的他才成功“上岸”?？杉幢阕x研期間，他也沒有一套像樣的數(shù)據(jù)能寫一篇論文。后來，在導(dǎo)師推薦下，他獲得了去日本東北大學學習的機會，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，這點挫折就是小風小浪，不怕。
　　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?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)。
　　什么是量子反?；魻栃?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磁場，在強磁場作用下，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，這個非常有趣的量子效應(yīng)就叫做量子霍爾效應(yīng)。1979年，它由德國物理學家馮·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?；魻栃?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年間有物理學家提出各種方案，但是實驗上未取得任何實質(zhì)性進展。
　　為什么？量子反?；魻栃?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)折的契機出現(xiàn)在2005年，那一年，理論物理學家查爾斯·凱恩、張首晟等成功預(yù)言了一類叫拓撲絕緣體的新材料。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家又提出了一個大膽的假設(shè)：在拓撲絕緣體中引入磁性有可能實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。
　　“這是理論物理學家在山頂畫出的櫻桃，山頂有沒有櫻桃，沒人知道?！北M管一切都是未知，在好奇心的驅(qū)使下，薛其坤還是帶領(lǐng)團隊向這座科學高峰發(fā)起了進攻。那時的他一直有個念頭，“能不能像我們崇拜的科學家那樣，做點更大的、從0到1的成果?！?br />　　向著夢想全力奔跑，2012年底，薛其坤團隊用“分子束外延”方法，制備出了高質(zhì)量的磁性拓撲絕緣體薄膜材料，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發(fā)現(xiàn)，薛其坤三個字不再普通。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。
　　為什么是薛其坤團隊？
　　探尋成功密碼，除了勇攀科學高峰的勇氣，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撲、絕緣、磁性三種特性的薄膜，這是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的關(guān)鍵和前提。但是，在實際的材料中同時滿足上述三個要求是一個巨大的挑戰(zhàn)。打個形象的比喻，這就相當于要我們培養(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，對拓撲絕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，薛其坤的博士生，2008年秋季學期加入到研究團隊。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?；魻栃?yīng)的薄膜樣品只有5 納米的厚度，相當于頭發(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。但具體怎么生長，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，再生長、再測試……“在這一次又一次的重復(fù)實驗中，很多時候我們都是在不斷試錯。”馮硝感慨。
　　但更大的挑戰(zhàn)來自實驗?zāi)繕说牟淮_定性。2011年底，薛其坤帶領(lǐng)團隊終于制備出了兼具磁性、拓撲、絕緣三種特性的薄膜樣品?？珊芸欤芯抗ぷ饔窒萑肓送磺暗臓顟B(tài)，大家有些動搖。
　　“從理論來看，當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。”回憶起2012年初最困難的那段時光，薛其坤團隊成員何珂說，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，非常擔心研究就此停滯不前?！?br />　　面對蔓延的負面情緒，薛其坤作為研究團隊的“大家長”，給大家講起了他人生中最難熬的那段日子：在日本留學期間，他一年中有七八個月想回家。因為聽不懂導(dǎo)師的指令，他經(jīng)常受到導(dǎo)師嚴厲指責，導(dǎo)致導(dǎo)師和同學們一起做實驗時，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，并一直堅持到現(xiàn)在。薛其坤的很多學生曾經(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，他還堅持去實驗室，和大家討論實驗。”薛其坤對科學研究的這種持久不滅的熱情和努力，常常讓清華大學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?！?br />　　粗中有細 再攀科學高峰
　　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?！庇形焕蠋熯@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生發(fā)零花錢。他手里存不住東西，經(jīng)常有哪個學生夸他的東西好，他當場就送給人家?！?br />　　在學生眼里，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“賄賂”他們，但若犯了錯，他也會狠狠地批評。
　　有一次，他像往常一樣去實驗室，恰巧碰到一位學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！”說到激動處，薛其坤熱淚盈眶。
　　學生頭一次見他發(fā)這么大的脾氣，卻也明白“薛老師這是生氣又心痛”。實驗室里，一些實驗儀器要在極低溫環(huán)境下運行，需要用到液氮和液氦。液氮的價格幾元一升，液氦則要幾百元一升，用薛其坤的話說“你這臺儀器是喝可樂的，你這臺儀器是喝茅臺的”。
　　在實驗技術(shù)與科研訓(xùn)練中，薛其坤對學生們的要求更是近乎苛刻：進組五六年之后，對于實驗儀器要長年累月準確無誤地操作；寫論文，不能有標點符號錯誤。
　　這種追求極致的科研態(tài)度，薛其坤認為，是一個科研工作者不可或缺的品質(zhì)。他常常對學生說，物理實驗的成功建立在扎實的基本功之上，如果沒有精湛的實驗技術(shù)和細致操作，就很難取得重大的科研成果。
　　如今，在量子反?；魻栃?yīng)之后，薛其坤繼續(xù)享受著攀登科學高峰帶來的快樂。這次，他帶領(lǐng)團隊瞄準了兩個難題：一個是在更高的溫度下甚至室溫下嘗試觀測到量子反?；魻栃?yīng)，讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用；另一個是高溫超導(dǎo)機理。
　　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?！保ń?jīng)濟日報記者 沈慧）

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