量子“高速公路”上的中國導航員

黃昉苨

2012年10月12日晚上10點35分，薛其坤接到團隊成員、博士生常翠祖的一條短信：“薛老師，量子化反?；魻栃?yīng)出來了，等待詳細測量。”

實驗測量到的數(shù)據(jù)是一條漂亮的曲線，與理想情況下量子反常霍爾效應(yīng)的行為完全吻合。

一個極為美妙的現(xiàn)象

盡管“貴”為清華大學物理系主任，但在此前的清華校園，薛其坤還不是一個引人注意的角色。不止一個見過他的人表示，幾乎聽不懂這位中科院院士與別人隨口說起的科研內(nèi)容。

事實上，薛其坤即將開啟一個全新的時代。由這位教授領(lǐng)導，來自清華大學、中國科學院物理所與美國斯坦福大學的科學家組成的團隊宣布，他們從實驗中觀測到了量子反?；魻栃?yīng)。他們的相關(guān)論文，于2013年3月15日發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)雜志《科學》上。

對普通人而言，量子反?；魻栃?yīng)并不只是一個讓人云里霧里的科學名詞，它還意味著某種科幻小說般的未來生活：若這項發(fā)現(xiàn)能投入應(yīng)用，超級計算機將有可能成為iPad大小的掌上筆記本，智能手機內(nèi)存也許會超過目前最先進產(chǎn)品的上千倍，除了超長待機時間，還將擁有當代人無法想象的快速。

這一發(fā)現(xiàn)甚至令年過九旬的諾貝爾獎獲得者楊振寧都激動了：“這是從中國的實驗室里，第一次做出并發(fā)表諾貝爾獎級的物理學論文?！?/p>

普通人幾乎沒人知道什么叫量子反?；魻栃?yīng)，但1879年美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)的“霍爾效應(yīng)”，實際上已經(jīng)被應(yīng)用在普通人生活的方方面面：測量磁場，測量運動事故，也可以生產(chǎn)新的器件，比如汽車的里程表、速度表，以及點火系統(tǒng)。

這一次，薛其坤團隊的最新發(fā)現(xiàn)，在科學家眼中，更是一個極為美妙的現(xiàn)象。在動畫演示中，擺滿儀器設(shè)備的實驗室里，一個透明的長方體物件內(nèi)，許多玫紅色小顆粒正在橫沖直撞。一會兒，小顆粒乖乖地排在材料兩邊，一邊的隊伍向前跑，對面的隊伍則向后跑，就像公路上遵守交通規(guī)則的往來車輛，在不同的車道里暢通無阻。

“如果這是一個一般的金屬材料或者半導體材料，那里面的電子運動是非常無序的，它們雜亂無章，互相碰撞。這就引起電子器件的速度降低，而且會使能耗增大。” 清華大學物理系教授王亞愚試圖通過一種通俗易懂的方式向外界解釋他們的研究。

雖然肉眼看不到這些到處亂跑的電子，但誰都會在生活中感受到它們的存在。比如，盡管有風扇“呼啦呼啦”地吹，工作多時的筆記本電腦卻還是熱得燙手，反應(yīng)緩慢得像老牛爬坡。但這些粒子卻是可以被科學家“管”起來，順著一定規(guī)律在材料內(nèi)老老實實排著隊跑步的。

“如果我們在材料上加一個強磁場，非常強的磁場，電子運動就變得有規(guī)律了——它們在材料的兩端，像高速公路上的汽車一樣反向運動，這時候，電子運動速度就變快了?！蓖鮼営藿淌诮忉屨f。

在上世紀80年代，這種量子霍爾效應(yīng)被德國物理學家馮·克利青在研究極低溫度和強磁場中的半導體時偶然發(fā)現(xiàn)。這一成果讓他獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。

只是，要讓肉眼都看不到的電子像動畫演示中那樣規(guī)律地運動，需要極強的磁場，至少得是一個一人高、冰箱一般大小的設(shè)備，不僅運作起來非常麻煩，而且極其昂貴。

顯然，這不是一件能走出實驗室的“降溫提速設(shè)備”。

這也就是為什么薛其坤的團隊在實驗中觀測到的量子反?；魻栃?yīng)是這么重要，又是這么優(yōu)美了：在零磁場中，材料的反常霍爾電阻達到量子電阻的數(shù)值，并形成一個平臺，也就是說，在微觀世界中，那些原本亂沖亂撞的電子正循著“高速公路”暢通有序地運動著。這一次，沒有強大的磁場。

這一場面證實了科學界等待多年的預(yù)言。距霍爾最初發(fā)現(xiàn)這種電磁效應(yīng)已130年有余，距薛其坤的團隊開始實驗，也已整整四年。

“這是量子霍爾家族的最后一位成員。”一位美國科學家在《科學》雜志上撰文稱，“不需要外磁場的量子霍爾態(tài)的實驗觀測，使人們終于能夠完整地研究量子霍爾效應(yīng)的三重奏了。”

“吃飯，睡覺，做研究”

35歲晉級教授，41歲成為中國科學院最年輕的院士之一，在薛其坤一帆風順的科研之路背后，是異于常人的勤奮與堅持。他有一個比“院士”更響亮的名號，叫“7-11”：早上7點進實驗室工作，一直干到晚上11點。在進行實驗的四年中，他的團隊先后嘗試了1000多個拓撲絕緣體樣品。

磁性拓撲絕緣體是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理想系統(tǒng)。要實現(xiàn)量子反常效應(yīng)，對材料的要求非常高：這種材料必須具有拓撲特性，具有長程鐵磁序，體內(nèi)則必須是絕緣態(tài)。按科學家的解釋，就好比要求一個人具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧。

在薛其坤的指導下，研究者們用于實驗的拓撲絕緣體樣品是以原子為單位的：在100萬個原子中，只能有一個雜質(zhì)原子。這1000多個不到小拇指指甲蓋大小的特殊實驗材料，都需要在超真空環(huán)境中慢慢長出來。

分散在世界各地的實驗團隊成員，每天都通過電話和郵件交流實驗結(jié)果，隔兩三周就充分討論實驗的所有細節(jié)。不過，在很長一段時間里，他們得不到任何有意義的結(jié)果，那時他們都“不大好意思見薛老師”。

但團隊領(lǐng)導者薛其坤耐得住性子。他是過過苦日子的人。小時候，母親得到了一塊珍貴的牛肉，舍不得吃，一定要等著外出上學的孩子回家，才把已經(jīng)風干的牛肉慢慢在水里浸開，包了餃子吃。

很多年以后，這個從沂蒙山區(qū)走出來的農(nóng)村孩子還記得，年少時第一次進縣城，如何被那里的繁華震驚。他對家鄉(xiāng)記者描述說，那心情就像臨沂人的一句笑談，“蒙陰就像北京一樣，是個大地方”。

當時這少年心中的“最高理想”，就是在蒙陰縣城“找個工作，娶個媳婦”。這人生理想至少實現(xiàn)了一半，薛其坤后來確實娶到了一個蒙陰媳婦。另一半人生也許有些超出他最初預(yù)想的軌道：在日本和美國留學，35歲晉級教授，41歲成為中科院最年輕的院士之一?！拔腋緵]想到自己會是個科學家……只想有事干，踏踏實實做點事”。

在他人看來幾乎是一帆風順的履歷，在當事人心中則另有一番滋味：大學畢業(yè)后一次又一次地考研，第一次考哈爾濱工業(yè)大學，高等數(shù)學只考了39分，落榜；兩年后報考中科院物理所，物理考了39分，又落榜。

第三年，薛其坤終于考上了中科院的物理所。但在之后的幾年里，這個大齡研究生“整天處在維修儀器的苦惱狀態(tài)中”。當年，物理所的設(shè)備不靈光，常常做不了實驗。就算一次次做實驗，但得到的數(shù)據(jù)也總是對不上號。直到全無日語基礎(chǔ)的他被送往日本東北大學聯(lián)合培養(yǎng)，生活才逐漸順利了起來。正是在日本導師櫻井利夫的要求下，他養(yǎng)成了“7-11”的工作習慣。隨后，他被櫻井先生推薦至美國北卡羅來納州立大學D.E.Aspnes門下做博士后。這位老先生極有個性，每次實驗室同事外出聚餐，年過六旬的他總會騎著摩托車，帶上一個學生，順著高速公路一路風馳電掣而去。

如今，當薛其坤成為整個研究團隊的中心人物后，他也極其擅長發(fā)現(xiàn)每一個人的優(yōu)點，為整個團隊鼓勁。

與薛其坤有過接觸的人眾口一詞地描述說，這位科學家風趣幽默，精力充沛。他喜歡踢足球，愛看武俠小說，早年生活中令人愉快的消遣是在樓道里打麻將。而他的研究生則提到，這位導師每次出差后回北京的第一件事，就是去實驗室看看有沒有什么新發(fā)現(xiàn)，哪怕已經(jīng)是晚上12點。

在就任清華教授之后的一次采訪中，薛其坤對記者介紹說，自己的團隊來自五湖四海，有著共同的志向。誰知對方問他：您的團隊成員有什么共同愛好嗎？

這位團隊“老大”思索了片刻之后說，吃飯、睡覺、做研究。

（張源薦自2013年6月17日《中國青年報》 原標題為《諾貝爾獎量級的發(fā)現(xiàn)出在中國實驗室》）