從沂蒙山到量子高峰

2024年6月24日，當(dāng)薛其坤榮獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)時(shí)，人們關(guān)注到他身上的“優(yōu)越點(diǎn)”——年齡，他未滿61歲。從2000年頒發(fā)國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)開始，直到2024年之前，獲獎(jiǎng)人在獲獎(jiǎng)時(shí)的平均年齡大約是83歲。薛其坤未滿61歲就獲此殊榮，實(shí)屬“年輕”。人們認(rèn)為他是一個(gè)天才，可在薛其坤看來(lái)，真正天賦異稟的人寥寥無(wú)幾。攀登科學(xué)的頂峰，是關(guān)關(guān)難過(guò)關(guān)關(guān)過(guò)，薛其坤深知自己只是那個(gè)日夜兼程的趕路人。

考了兩次39分

1963年12月，薛其坤出生在山東省蒙陰縣。這里地處沂蒙山區(qū)腹地，獨(dú)特的岱崮地貌賦予這里山嶺縱橫的秀麗風(fēng)光，也讓這里經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的貧窮。薛其坤是看著父母起早貪黑干農(nóng)活的背影長(zhǎng)大的。那時(shí)，他的課桌是劈開的樹樁，連凳子都需要自己帶。

在堂兄弟的記憶中，兒時(shí)的薛其坤對(duì)待學(xué)習(xí)總是很執(zhí)著。吃飯時(shí)想到搞不懂的問題，他就放下碗筷到一邊想，直到完全弄懂才繼續(xù)吃。恢復(fù)高考后的第三年，薛其坤走進(jìn)了高考考場(chǎng)，物理滿分100分，他考了99分。這個(gè)普普通通的農(nóng)家子弟被山東大學(xué)光學(xué)系激光專業(yè)錄取，由此得以走出沂蒙山區(qū)。

1984年，薛其坤大學(xué)畢業(yè)，懷著對(duì)科研的向往，他決定報(bào)考研究生。然而，第一年考研，他的高等數(shù)學(xué)只得了39分。他毫不猶豫地選擇“再戰(zhàn)”，這一次大學(xué)物理只得了39分。兩次39分的打擊足以讓普通人退縮，但從小苦到大的薛其坤不一樣。相反，薛其坤意識(shí)到自己在基礎(chǔ)知識(shí)上有欠缺，他將連續(xù)失敗視作筑牢基礎(chǔ)的好機(jī)會(huì)。1987年，薛其坤“三戰(zhàn)”終于成功，進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院物理研究所學(xué)習(xí)。

在這里，他的研究方向是凝聚態(tài)物理。這是一門研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間關(guān)系的學(xué)科，而場(chǎng)離子顯微鏡就是進(jìn)入微觀世界的眼睛。在導(dǎo)師陸華的帶領(lǐng)下，薛其坤每天至少要試做3個(gè)場(chǎng)離子顯微鏡的樣品針尖。幾年下來(lái)，他做了1000多個(gè)針尖，“手藝”已臻化境。不過(guò)，薛其坤沒有得出一套像樣的數(shù)據(jù)以供他寫一篇畢業(yè)論文?！耙?yàn)楫?dāng)時(shí)的儀器設(shè)備經(jīng)常出問題，我在物理所修了4年的儀器。”

1992年，薛其坤在導(dǎo)師的推薦下，作為中日聯(lián)合培養(yǎng)的博士生，前往日本東北大學(xué)攻讀博士學(xué)位。日方的聯(lián)合培養(yǎng)導(dǎo)師是櫻井利夫，在櫻井利夫的實(shí)驗(yàn)室，薛其坤經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

首先，是作息。櫻井利夫的實(shí)驗(yàn)室被稱為“7—11實(shí)驗(yàn)室”：每周6天，早上7點(diǎn)需到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)之前不允許離開。困意襲來(lái)時(shí)，為了使自己能頭腦清醒地學(xué)習(xí)，薛其坤就擰自己的腿。實(shí)在頂不住了，他就跑到衛(wèi)生間，坐在馬桶上打一個(gè)盹，打盹的時(shí)間不能太長(zhǎng)，怕被別人發(fā)現(xiàn)。

其次，是語(yǔ)言。因?yàn)椴欢照Z(yǔ)，英語(yǔ)聽力又不好，薛其坤起初幾乎聽不懂老師們的指令。當(dāng)老師們帶著其他學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，他連碰都不敢碰，只能怔怔地看著。老師們也看不上這個(gè)語(yǔ)言不通的學(xué)生，薛其坤能察覺到他們對(duì)他不信任。

背井離鄉(xiāng)、工作高壓、語(yǔ)言不通、不受待見……這讓薛其坤產(chǎn)生了前所未有的挫敗感，但薛其坤堅(jiān)持了下來(lái)。他說(shuō)，自己是在沂蒙山區(qū)長(zhǎng)大的孩子——皮實(shí)。皮實(shí)的薛其坤心里憋著一股勁：想要做出一個(gè)像樣的科研成果，給自己，也給推薦自己出國(guó)的導(dǎo)師一個(gè)交代。為了這個(gè)目標(biāo)，薛其坤每天只做3件事：吃飯、睡覺、做科研。

一開始，薛其坤做的是“粗活”。實(shí)驗(yàn)室的掃描隧道顯微鏡要求針尖既精細(xì)又穩(wěn)定，購(gòu)買的針尖總是不好用，薛其坤在做場(chǎng)離子顯微鏡研究時(shí)掌握的“絕活”就派上用場(chǎng)了。很快，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都知道，他是制備針尖水平最高的學(xué)生。

在這樣嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，接到第一個(gè)課題后一年半，薛其坤就取得了一個(gè)重要突破，這也是櫻井實(shí)驗(yàn)室30年來(lái)最大的成果之一。就這樣，薛其坤成了櫻井實(shí)驗(yàn)室當(dāng)之無(wú)愧的科研骨干。

博士畢業(yè)后，薛其坤先后在日本東北大學(xué)金屬材料研究所和美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)物理系工作。但國(guó)外的職位并沒有讓他安心，因?yàn)樗吹搅酥袊?guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有巨大的差距，薛其坤更加想回到祖國(guó)，“幫助國(guó)家做一點(diǎn)事”。

山頂上的櫻桃

1994年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“百人計(jì)劃”，朱日祥、曹健林、盧柯等14位杰出青年科學(xué)家率先回到祖國(guó)。1998年，在材料科學(xué)領(lǐng)域已頗有名氣的薛其坤也入選該計(jì)劃，回國(guó)進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院物理所工作。

2005年，薛其坤調(diào)入清華大學(xué)物理系任職，當(dāng)年年底，42歲的他當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。不久后，他將目光投向了物理學(xué)的一個(gè)前沿方向：拓?fù)淞孔游飸B(tài)。

1988年，美國(guó)的霍爾丹教授提出假設(shè)：電子在兼具自發(fā)磁化和電子態(tài)特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)狀態(tài)下，有可能在不外加磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)。這就是量子反常霍爾效應(yīng)。多年來(lái)，量子反?；魻栃?yīng)讓各國(guó)物理學(xué)家魂?duì)繅?mèng)縈，卻沒人能證明它的真實(shí)存在。2005年，一種新的概念——二維拓?fù)浣^緣體概念被提出?？茖W(xué)家認(rèn)為，在二維拓?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)。

薛其坤十分敏銳地覺察到了這個(gè)新領(lǐng)域，覺得這是一個(gè)重大科研機(jī)遇，他的這種敏銳，也就是物理學(xué)家楊振寧常常提及的“學(xué)術(shù)品位”。2008年，利用分子束外延等技術(shù)，薛其坤研究團(tuán)隊(duì)研制出了國(guó)際最高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體樣品。2009年起，薛其坤團(tuán)隊(duì)開始對(duì)量子反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)攻關(guān)。

一開始并不順利，團(tuán)隊(duì)遭遇了一年多的瓶頸期，實(shí)驗(yàn)毫無(wú)進(jìn)展，許多博士生都覺得干不下去了。關(guān)鍵時(shí)刻，薛其坤說(shuō)了一番話：“我們現(xiàn)在從事的實(shí)驗(yàn)工作是非常重要的，你們很可能發(fā)現(xiàn)到目前為止還沒有人看到過(guò)的東西。要是看到了，這一輩子都值了；要是看不到，你們也能從中得到歷練，加速成長(zhǎng)很多?！边@番話讓團(tuán)隊(duì)成員重整旗鼓。光有激情還不夠，勇闖“無(wú)人區(qū)”還要做好一次次面對(duì)失敗的準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)的要求十分苛刻：必須要做出極其平整的拓?fù)浣^緣體，表面凹凸1納米都不行。4年多的時(shí)間里，這種精細(xì)到苛刻的樣品，薛其坤團(tuán)隊(duì)前后制備了1000多個(gè)。

奇跡出現(xiàn)在2012年10月12日晚上10時(shí)35分。薛其坤收到學(xué)生常翠祖發(fā)來(lái)的一條短信：“薛老師，量子反常霍爾效應(yīng)出來(lái)了，等待詳細(xì)測(cè)量?！毖ζ淅げ惶蚁嘈抛约旱难劬?，立即打電話再三確認(rèn)情況?？梢源_定的是，量子反?；魻栃?yīng)的跡象已經(jīng)出現(xiàn)。

但嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神告訴薛其坤，一次結(jié)果不能說(shuō)明問題，需要用不同的樣品多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。薛其坤團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了兩個(gè)月的集中測(cè)試和不斷鉆研。大功告成的那天是2012年12月16日，他們用一組十分漂亮干凈的數(shù)據(jù)，觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。

2013年4月10日，量子反?；魻栃?yīng)成果發(fā)布會(huì)在清華大學(xué)舉行，楊振寧對(duì)此予以高度評(píng)價(jià)：“從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里第一次發(fā)表出了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)級(jí)別的論文，這是整個(gè)國(guó)家發(fā)展中的喜事?！?/p>

成果發(fā)布后，薛其坤團(tuán)隊(duì)受到曾經(jīng)領(lǐng)先的部分國(guó)際同行對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性的質(zhì)疑。直到一年半后，日本和美國(guó)的兩所國(guó)際著名高校研究團(tuán)隊(duì)相繼復(fù)現(xiàn)了這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了實(shí)驗(yàn)的可靠性，質(zhì)疑才煙消云散。此時(shí)，全世界的科學(xué)家紛紛對(duì)薛其坤團(tuán)隊(duì)的成果表達(dá)了高度贊賞，薛其坤說(shuō)：“讓他們信服中國(guó)的科學(xué)進(jìn)展、見證中國(guó)的科學(xué)發(fā)展，是我作為一名科學(xué)家最樸素的職責(zé)?！?/p>

薛其坤將這次科研比作看到“山頂上的櫻桃”，那一年他不滿50歲。他不常提及困難，而是常常說(shuō)起感謝。他說(shuō)自己是個(gè)幸運(yùn)兒，“一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船”，乘著改革開放的春風(fēng)，上了大學(xué)，趕上了科學(xué)的春天，最終取得了“從0到1”的突破，“沒有國(guó)家的強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是做不成的”。

慈與嚴(yán)

薛其坤也是一名教育工作者。他2005年起任清華大學(xué)物理系教授，2013年擔(dān)任清華大學(xué)科研副校長(zhǎng)，2020年擔(dān)任南方科技大學(xué)校長(zhǎng)。近20年的教育工作讓他桃李滿園，跟著他讀完博士、博士后的學(xué)生有120多名。薛其坤對(duì)此感到很驕傲，笑著說(shuō)他們都能組成“一個(gè)連”了。

在學(xué)生眼中，慈與嚴(yán)這兩種特質(zhì)在薛其坤身上奇妙地融合在一起，構(gòu)成獨(dú)一無(wú)二的薛教授。清華大學(xué)物理系教授王亞愚回憶：“去國(guó)外開會(huì)，薛老師會(huì)拿自己的錢給學(xué)生發(fā)零花錢。他手里存不住東西，經(jīng)常是哪個(gè)學(xué)生夸他的東西好，他就當(dāng)場(chǎng)送給人家?！毖ζ淅さ霓k公桌上，有時(shí)放著餅干，有時(shí)放著牛奶或面包。如果有學(xué)生做實(shí)驗(yàn)到深夜，他會(huì)一聲不吭地跑到實(shí)驗(yàn)室發(fā)小零食。

生活中的薛其坤有著山東人樸實(shí)的特質(zhì)。見到學(xué)生時(shí)，他總是笑瞇瞇的，是那種“咧開嘴，高興到心里的笑”。他一說(shuō)話，山東口音濃厚，說(shuō)英語(yǔ)也帶著口音。他把做實(shí)驗(yàn)比喻成騎自行車。剛開始學(xué)，沒有成就感；等你學(xué)會(huì)了，騎自行車的速度快了，就會(huì)覺得很愉快。他也用騎自行車的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求學(xué)生：“你要把儀器熟練掌握得像每天騎的自行車一樣，聽到鏈條響了就知道該給它上油，鏈子斷了你要會(huì)修理，讓儀器始終以一種完美的狀態(tài)運(yùn)行?！?/p>

在薛其坤的學(xué)生中間，有一個(gè)故事口口相傳，故事里的薛其坤罕見地紅了眼眶。那一次，薛其坤像往常一樣來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，碰到一名學(xué)生沒有盯著實(shí)驗(yàn)，而是在電腦上瀏覽無(wú)關(guān)的網(wǎng)頁(yè)，頓時(shí)火冒三丈，嚴(yán)厲地批評(píng)道：“你們現(xiàn)在擁有這么好的實(shí)驗(yàn)條件，卻不知珍惜，這不只是在浪費(fèi)自己的時(shí)間，也是在浪費(fèi)科研資源！”說(shuō)到激動(dòng)處，薛其坤眼含熱淚。

在嚴(yán)慈相濟(jì)的培養(yǎng)下，薛其坤帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成員和培養(yǎng)的學(xué)生中，除了“一個(gè)連”的博士和博士后，還有1人當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士，30余人次入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃。薛其坤發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們?cè)诋?dāng)了老師、有了自己的實(shí)驗(yàn)室后，又自覺地把當(dāng)年對(duì)他“頗有微詞”的那套傳統(tǒng)傳承了下去。

2024年7月4日，在南方科技大學(xué)2024屆本科生畢業(yè)典禮上，兩名畢業(yè)生送給薛其坤一個(gè)南方科技大學(xué)足球隊(duì)簽名的足球，表示要和薛校長(zhǎng)“切磋球藝”。薛其坤捧著足球站在學(xué)生中間，依然帶著那種“咧開嘴，高興到心里的笑”。

他不止一次提到自己對(duì)于當(dāng)下狀態(tài)的享受?！拔曳浅Ｏ矚g我的工作，不管是帶學(xué)生做科學(xué)研究，還是管理好一所大學(xué)，只要身體允許，我還是希望把更多的時(shí)間放在自己喜歡的工作上。我經(jīng)常自嘲，生命不息，奮斗不止，我很享受?！?/p>

這艘從沂蒙山區(qū)駛出的“小船”，仍然在路上。

（小 雙摘自《環(huán)球人物》2024年第14期，本刊節(jié)選）