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


2024-06-24 17:00 來源：經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)新聞客戶端
　　61歲！6月24日，國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)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(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(zhǎng)、巴克利獎(jiǎng)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(yù)——2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。
　　他幾十年來，一直保持“7—11”（早7點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)室晚11點(diǎn)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(píng)價(jià)他，“吃苦耐勞，異于常人。”
　　他個(gè)子不高、鄉(xiāng)音濃重、為人豪爽，無論是認(rèn)識(shí)或不認(rèn)識(shí)的人有事相求，他都會(huì)熱心幫忙。有同事曾開玩笑，“如果放在古代，他就是個(gè)大俠?！钡珜?duì)待科研，他卻追求極致，就連學(xué)生論文中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)都不允許出錯(cuò)。
　　取得今天的成績(jī)，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(xué)時(shí)的薛其坤的確普通。
　　第一次考研，他以高數(shù)39分慘淡收?qǐng)?；第二次考研，又因物?9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”?？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(xué)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，但由于語言不通，他聽不懂導(dǎo)師的要求，是實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)大的孩子，皮實(shí)，這點(diǎn)挫折就是小風(fēng)小浪，不怕。
　　確實(shí)，如果沒有這種皮實(shí)，恐怕不會(huì)有后來的逆襲，也不會(huì)有量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)。
　　什么是量子反常霍爾效應(yīng)？在一個(gè)材料中，電子的運(yùn)動(dòng)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(shí)，如果給薄膜樣品外加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)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(gè)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(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(chǎng)，靠材料本身的性質(zhì)就能讓電子運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)無磁場(chǎng)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，但是實(shí)驗(yàn)上未取得任何實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(gè)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(gè)矛盾的要求有了實(shí)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(gè)大膽的假設(shè)：在拓?fù)浣^緣體中引入磁性有可能實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?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?！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(tuán)隊(duì)向這座科學(xué)高峰發(fā)起了進(jìn)攻。那時(shí)的他一直有個(gè)念頭，“能不能像我們崇拜的科學(xué)家那樣，做點(diǎn)更大的、從0到1的成果?！?br />　　向著夢(mèng)想全力奔跑，2012年底，薛其坤團(tuán)隊(duì)用“分子束外延”方法，制備出了高質(zhì)量的磁性拓?fù)浣^緣體薄膜材料，最終看到了夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這是世界范圍內(nèi)，首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)！至此，量子霍爾效應(yīng)家族最后一個(gè)神秘成員在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)。
　　因?yàn)檫@項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，薛其坤三個(gè)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(shí)刻。
　　為什么是薛其坤團(tuán)隊(duì)？
　　探尋成功密碼，除了勇攀科學(xué)高峰的勇氣，還要有尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的長(zhǎng)期積累。
　　制備一個(gè)同時(shí)擁有拓?fù)?、絕緣、磁性三種特性的薄膜，這是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的關(guān)鍵和前提。但是，在實(shí)際的材料中同時(shí)滿足上述三個(gè)要求是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。打個(gè)形象的比喻，這就相當(dāng)于要我們培養(yǎng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，他既需要有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度，又要有舉重運(yùn)動(dòng)員的力量，還要有花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的技巧。其中的艱難可想而知。
　　幸運(yùn)的是，做了20多年分子束外延生長(zhǎng)的薛其坤掌握了國際領(lǐng)先的技術(shù)儲(chǔ)備：2002年初，薛其坤等人曾開創(chuàng)過一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(yùn)用，對(duì)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，薛其坤的博士生，2008年秋季學(xué)期加入到研究團(tuán)隊(duì)。她說，是面對(duì)困難不屈不撓的精神，讓他們?cè)谶@場(chǎng)高手云集的競(jìng)技中領(lǐng)先一步。
　　實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?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(zhǎng)起來。但具體怎么生長(zhǎng)，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(duì)生長(zhǎng)了1000多個(gè)，每一個(gè)樣品從生長(zhǎng)到完成測(cè)試，至少需要三四天。生長(zhǎng)、測(cè)試，失敗、改進(jìn)，再生長(zhǎng)、再測(cè)試……“在這一次又一次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，很多時(shí)候我們都是在不斷試錯(cuò)?！瘪T硝感慨。
　　但更大的挑戰(zhàn)來自實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的不確定性。2011年底，薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)終于制備出了兼具磁性、拓?fù)?、絕緣三種特性的薄膜樣品?？珊芸?，研究工作又陷入了停滯不前的狀態(tài)，大家有些動(dòng)搖。
　　“從理論來看，當(dāng)時(shí)我們能想到的所有問題似乎都解決了，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果離最終的成功還非常遙遠(yuǎn)?！被貞浧?012年初最困難的那段時(shí)光，薛其坤團(tuán)隊(duì)成員何珂說，那時(shí)大家都很焦慮，壓力很大，“因?yàn)檠芯繒r(shí)間比較長(zhǎng)，付出了很多努力，非常擔(dān)心研究就此停滯不前?！?br />　　面對(duì)蔓延的負(fù)面情緒，薛其坤作為研究團(tuán)隊(duì)的“大家長(zhǎng)”，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，他一年中有七八個(gè)月想回家。因?yàn)槁牪欢畬?dǎo)師的指令，他經(jīng)常受到導(dǎo)師嚴(yán)厲指責(zé)，導(dǎo)致導(dǎo)師和同學(xué)們一起做實(shí)驗(yàn)時(shí)，他不敢碰儀器，只在一邊怔怔地看。但為了給中國人爭(zhēng)口氣，他最終咬牙堅(jiān)持了下來，并取得了一項(xiàng)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(xiàng)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(shí)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，并一直堅(jiān)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(shí)驗(yàn)室，誰最后一個(gè)離開，”但多年來幾乎沒人能贏。
　　“很多時(shí)候，大家一起從外地出差回來，已是晚上十一二點(diǎn)，他還堅(jiān)持去實(shí)驗(yàn)室，和大家討論實(shí)驗(yàn)。”薛其坤對(duì)科學(xué)研究的這種持久不滅的熱情和努力，常常讓清華大學(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(huì)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?！?br />　　粗中有細(xì) 再攀科學(xué)高峰
　　瘦削的臉上架副眼鏡，無論對(duì)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(duì)此，王亞愚深有體會(huì)，“我們?nèi)忾_會(huì)，薛老師會(huì)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(gè)學(xué)生夸他的東西好，他當(dāng)場(chǎng)就送給人家?！?br />　　在學(xué)生眼里，導(dǎo)師薛其坤大部分時(shí)候和藹可親，會(huì)經(jīng)常買些牛奶、夜宵、營養(yǎng)品“賄賂”他們，但若犯了錯(cuò)，他也會(huì)狠狠地批評(píng)。
　　有一次，他像往常一樣去實(shí)驗(yàn)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(shí)火冒三丈?！澳銈儸F(xiàn)在擁有這么好的實(shí)驗(yàn)條件，卻不知珍惜，這不只是在浪費(fèi)自己的時(shí)間，也是在浪費(fèi)科研資源！”說到激動(dòng)處，薛其坤熱淚盈眶。
　　學(xué)生頭一次見他發(fā)這么大的脾氣，卻也明白“薛老師這是生氣又心痛”。實(shí)驗(yàn)室里，一些實(shí)驗(yàn)儀器要在極低溫環(huán)境下運(yùn)行，需要用到液氮和液氦。液氮的價(jià)格幾元一升，液氦則要幾百元一升，用薛其坤的話說“你這臺(tái)儀器是喝可樂的，你這臺(tái)儀器是喝茅臺(tái)的”。
　　在實(shí)驗(yàn)技術(shù)與科研訓(xùn)練中，薛其坤對(duì)學(xué)生們的要求更是近乎苛刻：進(jìn)組五六年之后，對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器要長(zhǎng)年累月準(zhǔn)確無誤地操作；寫論文，不能有標(biāo)點(diǎn)符號(hào)錯(cuò)誤。
　　這種追求極致的科研態(tài)度，薛其坤認(rèn)為，是一個(gè)科研工作者不可或缺的品質(zhì)。他常常對(duì)學(xué)生說，物理實(shí)驗(yàn)的成功建立在扎實(shí)的基本功之上，如果沒有精湛的實(shí)驗(yàn)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(duì)瞄準(zhǔn)了兩個(gè)難題：一個(gè)是在更高的溫度下甚至室溫下嘗試觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用；另一個(gè)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(jì)出高溫超導(dǎo)材料，在室溫下甚至更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這將是對(duì)全人類的重要貢獻(xiàn)。”（經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者 沈慧）

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