從沂蒙山到量子高峰：薛其坤的“登山哲學”

2024年6月，薛其坤榮獲2023年度國家最高科學技術獎，這無疑是對他卓越學術成就的最高肯定。但他一如既往地謙虛低調(diào)，稱自己為“一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。薛其坤的家鄉(xiāng)是山東蒙陰縣一個貧困山村，家中兄弟姐妹眾多，生活條件艱苦。然而，貧窮并沒有消磨他的意志，反而激發(fā)了他對生活的樂觀和對知識的渴望。

在第八期“浦江科學大師講壇”上，中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤深情回憶往昔，他說，正是簡樸艱苦的年少生活，賦予自己勤奮堅韌的品質(zhì)，使他能夠堅持“7-11”式工作模式30年，并支撐他在攀登科學高峰的路上一路前行，收獲滿滿。

作為當代中國凝聚態(tài)物理領域的杰出科學家，薛其坤以其在量子反?；魻栃透邷爻瑢щ娦匝芯恐械拈_創(chuàng)性成就贏得了學界的廣泛認可，獲得包括國家自然科學一等獎、國家最高科學技術獎、菲列茲·倫敦獎、巴克利獎等多項國內(nèi)外重要獎項。

在“浦江科學大師講壇”結束之后，薛其坤接受了包括《新民周刊》在內(nèi)的幾家媒體專訪，暢談量子力學的發(fā)展前景、人才培養(yǎng)、科學家精神等熱門話題。

從“富礦”中挖出新“珠寶”

“超導是物理學科學發(fā)現(xiàn)的富礦?！毖ζ淅そ榻B，過去113年里，共有五次諾貝爾物理獎授予超導研究的物理學家。

身為科研工作者，他喜歡這種“富礦”，因為這種領域不僅蘊藏著豐富的科學發(fā)現(xiàn)，更能考驗一個人的學術水平。

“超導體，首先必須是導體。導體電阻主要來源于原子振動對電子的散射?！毖ζ淅ご蛄藗€形象的比喻：“溫度低的時候，原子就不大運動了。就像一幫人做廣播體操，中間有一個人想穿過去，這些人如果一直亂走，人很難走過去；但如果這些人都停下來，這個人就能找到空隙走過去。也就是說，溫度越低，原子振動越弱，電子就容易通過，所以超導也一般會發(fā)生在低溫?！倍鴾囟瘸^40K （零下233 ℃）的超導體就被稱為高溫超導。在超導研究領域，提高超導體材料的臨界溫度（Tc）是關鍵。

另一方面，霍爾效應的發(fā)現(xiàn)打開了我們認識微觀世界的又一扇大門。霍爾效應指當電流沿縱向通過導體或半導體薄片時，如果薄片置于垂直方向的磁場中，就會在其兩側產(chǎn)生一個橫向電壓，即霍爾電壓。而量子霍爾效應，則是霍爾效應的一種量子化版本。它是在強磁場下出現(xiàn)的一種特殊狀態(tài)，其中霍爾電阻呈現(xiàn)出量子化的階梯狀特征。薛其坤提到，盡管霍爾效應通常需要在極強磁場下才能觀察到，但早在1880年，霍爾就在研究磁性金屬的霍爾效應時發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：即使不加外磁場，也可以觀測到霍爾電阻，這種在零磁場中的霍爾效應被稱為反?；魻栃?。

這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了另一個問題：既然存在量子霍爾效應，那么是否也存在一個量子化的反?；魻栃姹?？

量子反常霍爾效應正是這樣一種現(xiàn)象，它不需要外加磁場即可觀察到量子化的霍爾電阻。在量子反?；魻枲顟B(tài)下，材料表面的電子遵循著特定的軌跡運動，形成所謂的邊緣態(tài)，這些邊緣態(tài)允許電子沿著特定的方向無散射地流動，從而大大降低了能量損耗。

“如果超導體中所有地方的電阻都為0，那么量子霍爾效應的材料就是內(nèi)部的電阻無窮大，而邊緣的電阻為0。”薛其坤說，“超海量數(shù)據(jù)時代對信息的存儲和處理提出極高的要求，需要一種完全創(chuàng)新的計算機，實現(xiàn)類似于超導、電阻等于零的無能耗輸運?！?/p>

回溯超導研究發(fā)展歷程，薛其坤選定了自己的“航向”——2005年，他加入清華大學物理系組建科研團隊，搭建實驗平臺，瞄準物理學最前沿的研究方向，開始“沒有跑道的賽跑”。

首次實驗觀測到量子反?；魻栃趪H上產(chǎn)生重大學術影響，被諾貝爾獎獲得者楊振寧稱為中國實驗室里做出來的“諾獎級成果”；首次發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結界面高溫超導性，開啟了國際高溫超導領域的全新研究方向……

經(jīng)過多年耕耘，薛其坤帶領團隊取得多項引領性的重要科學突破。從0到1蓋起第一層樓，助力中國量子科學研究躋身世界第一梯隊。

薛其坤把科學研究分成三個層次——“0到1”的發(fā)現(xiàn)、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。

“選擇研究方向至關重要。”他為青年研究人員給出建議，“如果是在這樣一個前沿方向上，你就可能有機會在原來巨大科學發(fā)現(xiàn)的基礎上再做出新的科學發(fā)現(xiàn)?！?/p>

薛其坤

作為凝聚態(tài)物理領域的著名科學家，薛其坤取得多項引領性的重要科學突破。他率領團隊首次實驗觀測到量子反常霍爾效應，在國際上產(chǎn)生重大學術影響；在異質(zhì)結體系中發(fā)現(xiàn)界面增強的高溫超導電性，開啟了國際高溫超導領域的全新研究方向。

2005年，41歲的薛其坤成為中國科學院最年輕的院士之一。因為在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?，2020年度菲列茲·倫敦獎授予薛其坤。2023年他獲得美國物理學會巴克利獎，這個被公認為國際凝聚態(tài)物理領域的最高獎，自1953年設立以來，首次頒發(fā)給中國籍物理學家。2024年薛其坤榮獲2023國家最高科學技術獎。

努力與堅持的饋贈

“基礎研究取得突破，絕非一日之功。相較于天賦，更多依靠日復一日的努力和堅持?！毖ζ淅ふf，再高深的學問也是在找到方向之后，一步一個腳印慢慢從基礎向高深推進的。

那么，如此重要的量子反常霍爾效應，到底是怎么被薛其坤團隊發(fā)現(xiàn)的呢？

為驗證這一理論物理預言，2008年起薛其坤就開始帶領研究團隊探索量子反常霍爾效應實現(xiàn)的可能性。

量子反常霍爾效應的實現(xiàn)條件極為苛刻，必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態(tài)，即一維導電通道；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?；三是材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態(tài)參與導電。在實驗中，想實現(xiàn)以上任何一點都很難，即使在理論上，能否同時滿足這三個條件也存在很大不確定性。因此，有人將這項全球?qū)嶒炍锢韺W家面臨的巨大挑戰(zhàn)，形容為“沒有賽道的競技場”。

“這是一種三不像的矛盾體，三個矛盾點是，大部分鐵磁材料都是導電的，二維情形下很難實現(xiàn)鐵磁性，以及磁性和拓撲很難做到共存。這就相當于，你要制備出一種像‘三項全能運動員’一樣的材料?！毖ζ淅ふf，“在這項研究上，我們投入了四年多時間，制備了一千多種樣品，參與項目的學生就有二十多個人?！?/p>

從2008年起，薛其坤團隊利用分子束外延生長-低溫強磁場掃描隧道顯微鏡-角分辨光電子能譜相結合的獨特技術手段，開始對拓撲絕緣體開展研究。他們首次建立了Bi2Te3家族拓撲絕緣體的分子束外延生長動力學，發(fā)展出嚴格控制材料組分的三溫度法，生長出國際上質(zhì)量最高的拓撲絕緣體樣品。這種方法后來成為國際上通用的拓撲絕緣體樣品制備方法。

隨后，他們首次利用角分辨光電子能譜，繪制出三維拓撲絕緣體在二維極限下的電子能帶結構演化。這項成果為基于拓撲絕緣體薄膜的大量后續(xù)工作打下了基礎。他們利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡技術，揭示出拓撲絕緣體表面態(tài)的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質(zhì)，在國際上產(chǎn)生了很大的學術影響。這一系列努力與成果，使我國在拓撲絕緣體領域躋身國際領先行列。

2009年，薛其坤團隊與來自清華大學、中國科學院物理研究所、美國斯坦福大學的合作者們，基于所獲得的高質(zhì)量拓撲絕緣體薄膜，開始對量子反常霍爾效應進行實驗攻關。

攻關過程極為艱辛，面臨學術、技術以及路線等眾多復雜的問題。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構、材料和物理性質(zhì)之間的內(nèi)在關聯(lián)理解清楚，為下一個實驗尋找方向。

“每個樣品從生長到測量，至少需要三四天時間?！毖ζ淅ふf，“大家把能力發(fā)揮到了極致，他們付出的努力令人驚訝?！奔幢闳绱伺?，在2012年初，實驗工作還是遇到了瓶頸。“所有需要的條件我們似乎都已經(jīng)達到了，但是得到的結果離最終的成功還很遙遠。”團隊成員、清華大學物理系教授何珂回憶說。

薛其坤并不認為這是失敗?！霸趯嶒炆?，如果我們達不到目標，說明我們的學術判斷不一定正確，這是一個提高學術能力的機會。在科學探索中，把不通的路找出來也是貢獻?！彼f。

在他的鼓勵和開導下，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。在一步步嘗試與優(yōu)化后，2012年12月，薛其坤團隊終于制備出世界上首個具有鐵磁性、絕緣以及有拓撲特性的新奇物理性質(zhì)材料的薄膜，首次在實驗室找到了這個“寶藏”。

2013年3月，這一突破性成果發(fā)表在了《科學》雜志上，引起了國際物理學界的廣泛關注。如今，量子反?；魻栃呀?jīng)成為國際物理學發(fā)展最快的研究方向之一。薛其坤團隊也在相關研究中不斷取得新成果，繼續(xù)引領著該方向的國際學術進展。他們與合作者在2018年首次發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，這種材料具有規(guī)則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實現(xiàn)更高工作溫度的量子反常霍爾效應，從而使其能在電子器件中應用。這一發(fā)現(xiàn)開啟了國際上一個新的熱點研究方向，近年已有科學家基于該材料，在30K溫度觀測到磁場輔助下量子反常霍爾態(tài)存在的證據(jù)，進一步增大了基于此材料實現(xiàn)高溫量子反?；魻栃南Ｍ?/p>

“我們還要提高量子反?；魻栃挠^察溫度，尋找更便宜的材料，使它盡快應用到實際中去。這是我們正在努力的方向?！毖ζ淅ふf。

在演講的互動環(huán)節(jié)，中國科學院院士、復旦大學物理學系教授孫鑫提問：“在你們觀測到的量子反?；魻栃幕A上，能不能發(fā)現(xiàn)一個趨勢，更上一層樓，觀測到分數(shù)的量子反?；魻栃?？”

“這是該領域很多物理學家目前正在追逐的目標?！毖ζ淅ご鸬?，“讓我們高興的是，去年開始在新的材料中已經(jīng)實現(xiàn)了分數(shù)化的量子反?；魻栃芏嗄贻p研究者都在這個方向上取得了新的成績?！?/p>

還有學生向薛其坤請教：“新興的鎳基超導體能否給未來的科研工作帶來新的進展？”薛其坤說，國內(nèi)外高校在這方面都做出了新的成果、突破，并鼓勵年輕人“一定不要有思想上的包袱，不要因為一些科學研究的理論或過去的一些結果的限制而阻礙了對未知的探索”。

“在元素周期表上的任何元素中，都有可能發(fā)現(xiàn)新的高溫超導，高溫超導的探索這個賽場是非常廣闊的，值得堅持下去！”他說。

他口中的“7-11”工作模式，就是每天12小時以上、每月26天以上、每年330天以上的高強度學術工作。

培養(yǎng)卓越的學術品味

量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)為薛其坤帶來了諸多贊譽，但他的工作目標并不止步于此。

他在該領域還有其他研究方向：“第一個方向是實驗技術，包括分子束外延、掃描隧道顯微學、角分辨光電子能譜這些設備，都是我的研究對象。另一個方向是新的前沿問題，包括表面物理、拓撲量子態(tài)、低維超導電性等?！?/p>

其中，液氮溫區(qū)的超導電性問題是薛其坤團隊重點攻關的目標。“上世紀80年代開始，液氮溫區(qū)超導問題就進入了學界的視野，但其原理是什么，現(xiàn)在還沒有科學家能很好地解釋，我們希望能在這一領域作出突破。2012年，我們就在這個方向發(fā)表了一篇重要的論文?！?/p>

談到支撐自己多年科研求索的內(nèi)生動力，薛其坤總會提起自己從沂蒙山區(qū)走出的人生經(jīng)歷。

“小時候，在沂蒙山區(qū)經(jīng)歷過的艱苦生活使我能經(jīng)受得住‘7-11’式工作模式的考驗?！彼谥械摹?-11”工作模式，就是每天12小時以上、每月26天以上、每年330天以上的高強度學術工作。堅持了30年，這份異于常人的吃苦耐勞給他帶來了豐厚回報。

特殊的時代背景，也給薛其坤帶來了強大的使命感與責任感：“作為1977年恢復高考后的第四批大學生，我全程目睹了我國改革開放40多年來的歷程。20世紀八九十年代，我有過8年留學生活，這讓我深切感受到了我國與美國、日本等國的巨大差距，這樹立起了我科研報國的信念，驅(qū)使我不斷作出學術突破。”

“孟子曰：孔子登東山而小魯，登泰山而小天下?！毖ζ淅ひ缘巧綖橛?，闡釋心中的科研精神，“自然界的表現(xiàn)形式千奇百怪，難以捉摸。做科學也就像登山，只有勇于挑戰(zhàn)高峰，才能認識自然、改造自然。我們應該滿懷豪情，用無限的想象力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，登上科技之峰。”

作為南方科技大學校長，薛其坤同時強調(diào)人才培養(yǎng)的重要性。他指出，學術品味和科學直覺和一個人的基礎知識的掌握有直接關系，為此他寄語青年人要培養(yǎng)卓越的學術品味：“首先是多讀文獻，每篇文獻都有可學之處。其次是多請教人，每個人也都有過人之處。最后是多聽報告，每個學術報告都有創(chuàng)新之處。只要打好學術基礎，勤奮努力，日積月累，就能有所收獲?！保ǜ鸾?、張寧潔、殷夢昊對本文亦有幫助）