薛其坤：攻克量子世界制高點(diǎn)

■ 黃昉苨

盡管“貴”為清華大學(xué)物理系主任，在兩個(gè)月前的清華校園，薛其坤還不是一個(gè)多么引人注意的角色。不止一個(gè)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。

而事實(shí)上，他即將開啟一個(gè)全新的時(shí)代。4月9日，由他領(lǐng)導(dǎo)的來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理所與斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們組成的團(tuán)隊(duì)宣布，他們從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了量子反常霍爾效應(yīng)。而這一發(fā)現(xiàn)甚至令年過九旬的諾獎(jiǎng)得主楊振寧都激動(dòng)了：“這是一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的成果?！?/p>

對(duì)普通人而言，“量子反?；魻栃?yīng)”不僅是一個(gè)讓人云里霧里的科學(xué)名詞，還意味著某種科幻般的未來生活：若這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)能投入應(yīng)用，超級(jí)計(jì)算機(jī)將有可能成為iPad大小的掌上筆記本，智能手機(jī)內(nèi)存也許會(huì)超過目前最先進(jìn)產(chǎn)品的上千倍，除了超長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，還將擁有當(dāng)代人無法想象的快速。

美妙場(chǎng)面終實(shí)現(xiàn)

薛其坤團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)家眼中是一個(gè)極為美妙的現(xiàn)象。

在擺滿儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)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。他手持的筆記本電腦屏幕上播放著動(dòng)畫：一個(gè)透明的長(zhǎng)方體物件內(nèi)，許多玫紅色小顆粒正在橫沖直撞。

“如果這是一個(gè)一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料，那里面的電子運(yùn)動(dòng)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(huì)使能耗增大?！逼┤?，盡管有風(fēng)扇“呼啦呼啦”地吹，工作多時(shí)的筆記本電腦卻還是熱得燙手，反應(yīng)緩慢得像老牛爬坡。

但這些粒子可以被科學(xué)家們“管”起來，順著一定規(guī)律在材料內(nèi)老老實(shí)實(shí)地“排隊(duì)跑步”。

“如果我們?cè)诓牧仙霞右粋€(gè)非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，電子運(yùn)動(dòng)就變得有規(guī)律了——它們?cè)诓牧系膬啥?，像高速公路上的汽車一樣，這么反向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候，電子運(yùn)動(dòng)速度就變快了?！蓖鮼営藿忉屨f。

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

只是，讓肉眼都看不到的電子規(guī)律地運(yùn)動(dòng)需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)，至少得是一個(gè)一人高、冰箱一般大小的設(shè)備。這運(yùn)作起來非常麻煩，而且極其昂貴。

顯然，這不是一件能走出實(shí)驗(yàn)室的“降溫提速設(shè)備”。

這也就是為什么薛其坤的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)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(chǎng)中，材料的反?；魻栯娮柽_(dá)到量子電阻的數(shù)值，并形成一個(gè)平臺(tái)，也就是說，在微觀世界中，那些原本亂沖亂撞的電子們正循著“高速公路”暢通有序地運(yùn)動(dòng)著。這一次，沒有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。

這一場(chǎng)面證實(shí)了科學(xué)界等待多年的預(yù)言。

“這是量子霍爾家族的最后一位成員?！币晃幻绹茖W(xué)家在《科學(xué)》雜志上撰文稱，“不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，使人們終于能夠完整地研究量子霍爾效應(yīng)的三重奏了。”

▲薛其坤院士（左）與學(xué)生交流科研心得

“7-11”院士

在同行中，薛其坤有一個(gè)比“院士”更響亮的名號(hào)叫“7-11”：早上7點(diǎn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作，一直干到晚上11點(diǎn)。這樣的作息時(shí)間，他堅(jiān)持了20年。

或許正是這種異于常人的勤奮與堅(jiān)持，成就了他不平凡的科研之路，也讓他在35歲時(shí)晉級(jí)教授，41歲就成為中國科學(xué)院最年輕院士之一。

其實(shí)，他并不是天才：大學(xué)畢業(yè)后一次次考研，第一次考哈爾濱工業(yè)大學(xué)，高等數(shù)學(xué)只考了39分，落榜；兩年后報(bào)中科院物理所，物理考了39分，又落榜。

第三年，他終于考上了中科院物理所。但之后的幾年里，這個(gè)大齡研究生“整天處在維修儀器的苦惱狀態(tài)中”。當(dāng)年，物理所的設(shè)備不靈光，常常做不了實(shí)驗(yàn)。就算一次次做實(shí)驗(yàn)，但得到的數(shù)據(jù)也總是對(duì)不上號(hào)。

直到全無日語基礎(chǔ)的他被送往日本東北大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，生活才逐漸順利起來。也正是在日本導(dǎo)師櫻井利夫的要求下，他養(yǎng)成了“7-11”的工作習(xí)慣。起初，語言的不通、嚴(yán)苛的作息也曾讓薛其坤感覺異常疲憊和孤單。但他咬牙堅(jiān)持，實(shí)在疲倦了，還曾躲進(jìn)廁所里瞇一會(huì)兒。

留學(xué)經(jīng)歷還磨礪了薛其坤流利的“山東英語”：“俺沒啥子能耐，別人上臺(tái)不敢講，俺膽子大，敢講！”

與薛其坤有接觸的人眾口一詞地描述說，這位科學(xué)家風(fēng)趣幽默，精力充沛。他喜歡踢足球，愛看武俠小說。而他的研究生們則提到，這位導(dǎo)師每次出差后回北京的第一件事，就是去實(shí)驗(yàn)室看看有沒有新發(fā)現(xiàn)，哪怕已經(jīng)是晚上12點(diǎn)。

最最喜悅的一天

2012年10月12日晚上10點(diǎn)35分，薛其坤接到團(tuán)隊(duì)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(xì)測(cè)量。”那一天，距離霍爾最初發(fā)現(xiàn)這種電磁效應(yīng)已130年有余，距離薛其坤的團(tuán)隊(duì)開始實(shí)驗(yàn)，也已整整4年。

在這4年里，薛其坤和他的團(tuán)隊(duì)先后嘗試了1000多個(gè)拓?fù)浣^緣體樣品。

磁性拓?fù)浣^緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理想系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)量子反常效應(yīng)，對(duì)材料的要求非常高：這種材料必須具有拓?fù)涮匦?，具有長(zhǎng)程鐵磁序，體內(nèi)則必須是絕緣態(tài)。按科學(xué)家的解釋，就好比要求一個(gè)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(dǎo)下，研究人員用于實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣^緣體樣品以“原子”為單位：在100萬個(gè)原子中，只能有一個(gè)雜質(zhì)原子。這1000多個(gè)不到小拇指指甲蓋大小的特殊實(shí)驗(yàn)材料，都需要在超真空環(huán)境中慢慢長(zhǎng)出來，它們的厚度必須是5納米，高1納米或低1納米都不行。

分散在世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員，每天都通過電話和郵件交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隔兩三周就充分討論實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)。

最終大家的付出得到了最豐厚的回報(bào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)是一條漂亮的曲線，與理想情況下量子反?；魻栃?yīng)的行為完美地吻合。

團(tuán)隊(duì)成員觀測(cè)到的現(xiàn)象，是在接近絕對(duì)零度的極低溫度下對(duì)拓?fù)浣^緣體薄膜進(jìn)行精密測(cè)量后獲得的。也就是說，目前要談?wù)撨@種現(xiàn)象在生活中的實(shí)際應(yīng)用，還為時(shí)過早。

但對(duì)為之付出多年努力的科學(xué)家們而言，這一結(jié)果已經(jīng)足夠令人驚喜?！斑@可能是我們?nèi)松凶钭钕矏偟囊惶臁！毖ζ淅さ暮献髡?，斯坦福大學(xué)教授張首晟說?！?/p>