薛其坤：披荊斬棘叱咤量子競技場

付毅飛

進(jìn)入信息時(shí)代，芯片已然成為處理信息的“大腦”。在指甲蓋大小的芯片里封裝數(shù)十億個(gè)晶體管，堪稱人類最復(fù)雜的壯舉之一。可是，當(dāng)數(shù)據(jù)量指數(shù)性爆發(fā)，僅憑集成更多晶體管不再“一招鮮”，元器件的發(fā)熱問題成為限制算力提升的瓶頸。而量子反?；魻栃?yīng)，則提供了實(shí)現(xiàn)超高性能電子器件的可能性。

“超海量數(shù)據(jù)時(shí)代會(huì)對信息的存儲(chǔ)和處理提出極高的要求，需要一種完全創(chuàng)新的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)類似于超導(dǎo)、電阻等于零的無能耗輸運(yùn)?！蹦蹜B(tài)物理學(xué)家、清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士薛其坤說。

在材料中，電子的運(yùn)動(dòng)是高度無序的。電子和晶格振動(dòng)、電子和雜質(zhì)、電子和電子會(huì)不斷碰撞，產(chǎn)生電阻、發(fā)熱等效果。如果給薄膜材料外加一個(gè)強(qiáng)磁場，電子有可能立即“規(guī)矩”起來，沿著邊界不受阻礙地運(yùn)動(dòng)，這種有趣的現(xiàn)象叫做量子霍爾效應(yīng)。假如能找到一種特殊材料，既有自發(fā)磁化，電子態(tài)又具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則有可能在不外加磁場的情況下產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)。這就是量子反?；魻栃?yīng)。

多年來，量子反常霍爾效應(yīng)如同一個(gè)傳說中的“寶藏”，讓各國物理學(xué)家魂?duì)繅衾@，卻沒人能證明它真實(shí)存在。

經(jīng)過數(shù)年探索，薛其坤團(tuán)隊(duì)通過分子束外延的辦法，制備出世界上首個(gè)具有鐵磁性、絕緣以及有拓?fù)涮匦缘男缕嫖锢硇再|(zhì)材料的薄膜，首次在實(shí)驗(yàn)室找到了這個(gè)“寶藏”。

6月24日，薛其坤獲得2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

進(jìn)入“沒有賽道的競技場”

1980年代，國際量子材料和物態(tài)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究迎來爆發(fā)式發(fā)展。整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，開啟了拓?fù)淞孔游飸B(tài)這一新研究領(lǐng)域，并為發(fā)展低能耗電子器件帶來了新的可能。

不過，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的外加磁場，這對其研究和應(yīng)用都帶來了極大困難。試想一下，如果運(yùn)行一枚具有量子霍爾效應(yīng)的芯片，需要配備一臺(tái)冰箱大小的強(qiáng)磁場發(fā)生器，誰能接受？

2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者霍爾丹（F. D. M. Haldane）于1988年提出，有可能存在不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)體系。但他的假設(shè)離實(shí)際材料體系相距甚遠(yuǎn)。此后20多年里，在真實(shí)材料中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的重大科學(xué)目標(biāo)之一。

2005年，拓?fù)浣^緣體概念被提出，科學(xué)家認(rèn)為，在拓?fù)浣^緣體薄膜中引入鐵磁性，理論上有可能實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。但要在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)卻極為困難。因?yàn)榉闯；魻栃?yīng)的量子化，需要材料的性質(zhì)同時(shí)滿足三項(xiàng)非常苛刻的條件：一是材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦?，從而具有?dǎo)電的一維邊緣態(tài)，即一維導(dǎo)電通道；二是材料內(nèi)必須具有長程鐵磁序，從而無需借助外磁場而存在反?；魻栃?yīng)；三是材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，對導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn)，只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實(shí)驗(yàn)中，想實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都很難，即使在理論上，能否同時(shí)滿足這三個(gè)條件也存在很大不確定性。因此，有人將這項(xiàng)全球?qū)嶒?yàn)物理學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)，形容為“沒有賽道的競技場”。

從2008年起，薛其坤團(tuán)隊(duì)利用分子束外延生長—低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜相結(jié)合的獨(dú)特技術(shù)手段，開始對拓?fù)浣^緣體開展研究。他們首次建立了Bi2Te3家族拓?fù)浣^緣體的分子束外延生長動(dòng)力學(xué)，發(fā)展出嚴(yán)格控制材料組分的三溫度法，生長出國際上質(zhì)量最高的拓?fù)浣^緣體樣品。該方法后來成為國際上通用的拓?fù)浣^緣體樣品制備方法。

隨后，他們首次利用角分辨光電子能譜，繪制出三維拓?fù)浣^緣體在二維極限下的電子能帶結(jié)構(gòu)演化。這項(xiàng)成果為基于拓?fù)浣^緣體薄膜的大量后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)。他們利用低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡技術(shù)，揭示出拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)性和朗道量子化等獨(dú)特性質(zhì)，在國際上產(chǎn)生了很大的學(xué)術(shù)影響。這一系列努力與成果，使我國在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域躋身國際領(lǐng)先行列。

在此基礎(chǔ)上，薛其坤將目光投向了量子反?；魻栃?yīng)?！皩τ诳茖W(xué)家來講，這是一個(gè)非常奇妙的物理現(xiàn)象，我們很希望把這個(gè)謎揭開，看看它到底是不是存在。而且，在國家支持下，我們的相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)也達(dá)到了這個(gè)水平?！彼f，“正可謂天時(shí)地利人和?！?/p>

2009年，薛其坤帶領(lǐng)量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)入了“沒有賽道的競技場”。

一條保存了12年的短信

“當(dāng)年薛老師找到我和幾位老師，說國際上有理論預(yù)言，可以在磁性拓?fù)浣^緣體中尋找量子反常霍爾效應(yīng)，并邀請我們一起攻關(guān)來發(fā)現(xiàn)這個(gè)效應(yīng)。”清華大學(xué)物理系教授王亞愚回憶，自己當(dāng)時(shí)立即被吸引了。

2009年，薛其坤團(tuán)隊(duì)與來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、美國斯坦福大學(xué)的合作者們，基于所獲得的高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜，開始對量子反?；魻栃?yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)攻關(guān)。

攻關(guān)過程極為艱辛，面臨學(xué)術(shù)、技術(shù)以及路線等眾多復(fù)雜的問題。薛其坤介紹說，制備厚度約5納米的薄膜并不難，難的是要在原子尺度上控制摻雜的元素，更難的是要在電子層次上把結(jié)構(gòu)、材料和物理性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)理解清楚，為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)尋找方向。

在不斷摸索中，研究團(tuán)隊(duì)制備出組分、厚度均精確可控的三元拓?fù)浣^緣體薄膜，實(shí)現(xiàn)通過薄膜化學(xué)組分比例和電場效應(yīng)，調(diào)控拓?fù)浔砻鎽B(tài)的能帶結(jié)構(gòu)和薄膜的載流子類型與濃度。他們通過在該薄膜中摻雜磁性鉻原子，在其中建立了鐵磁序，以及垂直于薄膜面的易磁化軸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，他們共制備了1000多個(gè)樣品，最終獲得的材料可以兼具鐵磁性、絕緣性和拓?fù)湫?，是?shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想材料系統(tǒng)。“每個(gè)樣品從生長到測量，至少需要三四天時(shí)間。”薛其坤說，“大家把能力發(fā)揮到了極致，他們付出的努力令人驚訝。”

2012年初，工作遇到瓶頸?！八行枰臈l件我們似乎都已經(jīng)達(dá)到了，但是得到的結(jié)果離最終的成功還很遙遠(yuǎn)。”團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)物理系教授何珂回憶說。

薛其坤并不認(rèn)為這是失敗?！霸趯?shí)驗(yàn)上，如果我們達(dá)不到目標(biāo)，說明我們的學(xué)術(shù)判斷不一定正確，這是一個(gè)提高學(xué)術(shù)能力的機(jī)會(huì)。在科學(xué)探索中，把不通的路找出來也是貢獻(xiàn)?！彼f。

在他的鼓勵(lì)和開導(dǎo)下，大家重新靜下心來，并決定轉(zhuǎn)變思路，做“減法”，逐一排除樣品中可能存在的各種問題。

薛其坤的手機(jī)里，至今保留著一條2012年10月12日收到的短信。

那是一個(gè)周五。當(dāng)晚值班的項(xiàng)目組成員常翠祖，看到了量子反常霍爾效應(yīng)初步跡象，于是迅速給薛其坤發(fā)了短信?！澳翘煳一丶以缫稽c(diǎn)，大概10時(shí)30分左右，剛停下車就收到消息?！毖ζ淅Υ擞洃洩q新，“當(dāng)時(shí)非常激動(dòng)，也很欣慰。”

“最初決定做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，其實(shí)我們有思想準(zhǔn)備，也許我們努力之后發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)并不存在。”薛其坤說，“最終我們在基礎(chǔ)研究中發(fā)現(xiàn)了這一科學(xué)規(guī)律。對于科學(xué)家來講，這是一種莫大的幸福?！?h3>努力推動(dòng)成果應(yīng)用

量子反?；魻栃?yīng)是新中國成立以來我國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的重要科學(xué)效應(yīng)之一，是中國物理學(xué)界對世界物理學(xué)發(fā)展作出的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。

“這個(gè)成果的產(chǎn)生，應(yīng)該是對國家、人民長期大力支持的回報(bào)?！毖ζ淅け硎尽?/p>

成果發(fā)表后，產(chǎn)生了巨大的國際學(xué)術(shù)影響，得到了楊振寧等著名物理學(xué)家的高度評價(jià)。薛其坤于2014年、2022年兩次受邀在由諾貝爾基金會(huì)發(fā)起的諾貝爾論壇作特邀報(bào)告，還在2014年國際分子束外延大會(huì)、2014年國際半導(dǎo)體物理大會(huì)等相關(guān)領(lǐng)域最有影響力的國際會(huì)議上作大會(huì)特邀報(bào)告。

該成果也推動(dòng)了相關(guān)研究的快速發(fā)展。此后數(shù)年間，各國研究者通過對磁性拓?fù)浣^緣體材料性質(zhì)的改進(jìn)，將量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)現(xiàn)溫度從0.03開爾文（K）提升到1開爾文以上。美國、日本、德國等國的國家計(jì)量機(jī)構(gòu)均開展了基于量子反?；魻栃?yīng)的電阻量子標(biāo)準(zhǔn)研究，量子反?；魻栯娮璧木_度已初步滿足應(yīng)用于電阻量子標(biāo)準(zhǔn)的條件。量子反?；魻栃?yīng)還在超冷原子系統(tǒng)、內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角石墨烯、轉(zhuǎn)角過渡金屬硫化物系統(tǒng)中被觀測到。如今，量子反?；魻栃?yīng)相關(guān)研究已成為國際物理學(xué)發(fā)展最快的研究方向之一。

薛其坤團(tuán)隊(duì)也在相關(guān)研究中不斷取得新成果，繼續(xù)引領(lǐng)著該方向的國際學(xué)術(shù)進(jìn)展。他們與合作者在2018年首次發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4，這種材料具有規(guī)則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實(shí)現(xiàn)更高工作溫度的量子反?；魻栃?yīng)，從而使其能在電子器件中應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)開啟了國際上一個(gè)新的熱點(diǎn)研究方向，近年已有科學(xué)家基于該材料，在30K溫度觀測到磁場輔助下量子反?；魻枒B(tài)存在的證據(jù)，進(jìn)一步增大了基于此材料實(shí)現(xiàn)高溫量子反?；魻栃?yīng)的希望。

“我們還要提高量子反?；魻栃?yīng)的觀察溫度，尋找更便宜的材料，使它盡快應(yīng)用到實(shí)際中去。這是我們正在努力的方向。”薛其坤說。

山區(qū)走出的戰(zhàn)略科學(xué)家

薛其坤曾自比為“一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。

1980年，他離開老家山東省臨沂市蒙陰縣，考入山東大學(xué)光學(xué)系。他自我評價(jià)說，自己當(dāng)時(shí)“不算特別努力，中規(guī)中矩完成了學(xué)業(yè)”。畢業(yè)那年，他沒考上研究生，工作兩年后又考，再次落榜。1987年，他考入中國科學(xué)院物理研究所，開始了研究生學(xué)習(xí)。5年后，在導(dǎo)師陸華的幫助下，他作為中日聯(lián)合培養(yǎng)博士生，前往日本東北大學(xué)金屬材料研究所學(xué)習(xí)。

在日本的學(xué)習(xí)，給薛其坤帶來了兩大影響。一是使他養(yǎng)成了“7—11”工作習(xí)慣。他回憶說：“在此期間，我第一次接觸到世界上最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和國際開放的環(huán)境。這是非常難得的機(jī)遇，我很珍惜。因此每天早上7時(shí)到實(shí)驗(yàn)室，晚上11時(shí)離開，以求用更長的工作時(shí)間盡可能掌握更多實(shí)驗(yàn)技術(shù)?！倍撬饾u養(yǎng)成了極為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)科學(xué)研究態(tài)度。

1994年，薛其坤回國完成答辯，在中國科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，隨后繼續(xù)赴日本東北大學(xué)工作，并作為訪問學(xué)者，在美國北卡萊羅納州立大學(xué)物理系做了一年的博士后。1999年，他回國，在中國科學(xué)院物理研究所擔(dān)任研究員。2005年起，他任清華大學(xué)物理系教授。

“在國外7年多時(shí)間，我看到了國家在科學(xué)研究上、國人在生活水平上，跟發(fā)達(dá)國家的巨大差距。”薛其坤說，“這種經(jīng)歷堅(jiān)定了我想為國家多做點(diǎn)事的信念。我希望祖國在科技各個(gè)方面都變得強(qiáng)大，希望中國人活得更幸福、更有尊嚴(yán)。”

帶著這份信念，薛其坤投身于祖國科研事業(yè)，每天早上7時(shí)到實(shí)驗(yàn)室，晚上11時(shí)離開。常有學(xué)生想跟他比比誰能更早到、更晚離開實(shí)驗(yàn)室，但沒人能像他那樣多年如一日地堅(jiān)持。

如今，他已成為我國在量子科技領(lǐng)域的杰出戰(zhàn)略科學(xué)家。除了量子反?；魻栃?yīng)，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)界面增強(qiáng)高溫超導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重要突破，在國際上開辟了高溫超導(dǎo)的全新研究方向。

在人才培養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)建設(shè)等方面，薛其坤同樣成果顯著。他的團(tuán)隊(duì)中已有1人當(dāng)選中國科學(xué)院院士、30余人次入選國家級人才計(jì)劃，共培養(yǎng)博士生、博士后120余名，為我國低維物理、量子材料領(lǐng)域建立了具有國際水準(zhǔn)的人才隊(duì)伍。

山區(qū)里駛出的“小船”，如今已成為馳騁在科學(xué)海洋里的“巨艦”，在潮頭浪尖領(lǐng)航。