原標題：勇攀“量子之巔”

來源：經濟日報

原標題：勇攀“量子之巔”

來源：經濟日報

61歲！6月24日，國家最高科學技術獎迎來有史以來最年輕得主。

他就是發現量子反常霍爾效應的著名凝聚態物理學家、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。世人常說科研枯燥無聊，他卻樂在其中，每每講起專業總是兩眼放光。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”。

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據能寫出一篇論文。后來，在導師推薦下，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。

接二連三的失敗沒有打翻這艘“從沂蒙山區駛出的小船”。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的發現。

什么是量子反常霍爾效應？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、電子和電子都能形成碰撞，產生電阻、發熱，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，這個非常有趣的現象就叫作量子霍爾效應。1979年，它由德國物理學家馮·克里青發現。

既然存在量子霍爾效應，那么是否存在量子反常霍爾效應——無需任何外加磁場，靠材料本身的性質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”，可以實現無磁場的量子霍爾效應，此后近20年間有物理學家提出各種方案，但是在實驗上未取得任何實質性進展。

為什么？量子反常霍爾效應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體，這是一個自相矛盾的要求。

轉折的契機出現在2005年。那一年，理論物理學家查爾斯·凱恩、張首晟等成功預言了一類叫作拓撲絕緣體的新材料。這種內部是絕緣體、表面卻可以導電的神奇材料的“出現”，讓這個矛盾的要求有了實現的可能。據此，2008年，張首晟等理論物理學家又提出了一個大膽的假設：在拓撲絕緣體中引入磁性，有可能實現量子反常霍爾效應。

“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。”盡管一切都是未知，但在好奇心的驅使下，薛其坤還是帶領團隊向這座科學高峰發起了進攻。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”。

向著夢想全力奔跑。2012年底，薛其坤團隊用“分子束外延”方法，生長出了高質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象。這是世界范圍內，首次在實驗上觀測到量子反常霍爾效應！至此，量子霍爾效應家族最后一個神秘成員在實驗上被發現。

因為這項重要的科學發現，薛其坤3個字不再普通。他被視為凝聚態物理領域的傳奇人物，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，除了要有勇攀科學高峰的勇氣，還要有尖端實驗技術和方法的長期積累。

制備一個同時擁有拓撲、絕緣、磁性三種特性的薄膜，這是實現量子反常霍爾效應的關鍵和前提。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。打個形象的比喻，這就相當于要培養一個運動員，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先的技術儲備：2002年初，薛其坤等人曾開創過一個融合分子束外延設備、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜三種實驗設備的超高真空聯合系統，該系統的發展和熟練運用，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。馮硝是薛其坤的博士生，2008年秋季學期加入研究團隊。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先一步。

實現量子反常霍爾效應的薄膜樣品只有5納米的厚度，相當于頭發絲的十萬分之一，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，結構如何搭建，都十分復雜精妙。

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……“在一次又一次的重復實驗中，很多時候我們都是在不斷試錯。”馮硝感慨道。

更大的挑戰來自實驗目標的不確定性。2011年底，薛其坤帶領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。可很快，研究又陷入停滯不前的狀態，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”。

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，因為聽不懂導師的指令，他經常受到嚴厲指責，導致導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，并一直堅持到現在。薛其坤的很多學生曾經較勁，“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。”薛其坤對科學研究持久的熱情和努力，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”。

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。”有位老師這樣感慨。

對此，王亞愚深有體會，“我們去國外開會，薛老師會拿自己的錢給學生發零花錢。他手里存不住東西，經常有哪個學生夸他的東西好，他當場就會送給人家”。

在學生眼里，導師薛其坤大部分時候和藹可親，會經常買些牛奶、夜宵、營養品送給他們，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，恰巧碰到一位學生在電腦上瀏覽無關網頁，薛其坤頓時火冒三丈。“你們現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！”學生頭一次見他發這么大的脾氣，卻也明白“薛老師這是既生氣又心痛”。

在實驗技術與科研訓練中，薛其坤對學生們的要求更是近乎苛刻：對于實驗儀器要長年累月準確無誤地操作；寫論文，就連標點符號也不能出現錯誤。

薛其坤認為，這種追求極致的科研態度，是一個科研工作者不可或缺的品質。他常常對學生說，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和細致操作，就很難取得重大的科研成果。

如今，在量子反常霍爾效應之后，薛其坤繼續享受著攀登科學高峰帶來的快樂。這次，他帶領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常霍爾效應，讓其走向實際應用；另一個是高溫超導機理。

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

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