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2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者薛其坤:勇攀“量子之巔”

61歲!6月24日,國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)迎來有史以來最年輕得主。

他就是發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的著名凝聚態(tài)物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長、巴克利獎(jiǎng)首位中國籍獲得者——薛其坤。

薛其坤不是人們口中的天才。他3次考研方獲成功,讀博士花了7年,卻在41歲成為中國科學(xué)院最年輕的院士之一,50歲攻克量子世界難題,如今又?jǐn)孬@中國科技界的崇高榮譽(yù)——2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

幾十年來,他一直保持“7—11”(早7時(shí)到實(shí)驗(yàn)室,晚11時(shí)離開)的工作狀態(tài)。世人常說科研枯燥無聊,他卻樂在其中,每每講起專業(yè)總是兩眼放光。有位老院士曾評(píng)價(jià)他,“吃苦耐勞,異于常人”。對(duì)待科研,他追求極致,就連學(xué)生論文中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)都不允許出錯(cuò)。

取得今天的成績,薛其坤說,“1分是天賦,99分是努力”。

書寫傳奇人生

求學(xué)時(shí)的薛其坤的確普通。

第一次考研,他以高數(shù)39分慘淡收?qǐng)?;第二次考研,又因物?9分與中國科學(xué)院物理所失之交臂;直到1987年,屢敗屢戰(zhàn)的他才成功“上岸”。可即便在讀研期間,他也沒有一套像樣的數(shù)據(jù)能寫出一篇論文。后來,在導(dǎo)師推薦下,他獲得了去日本東北大學(xué)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì),但由于語言不通,他聽不懂導(dǎo)師的要求,是實(shí)驗(yàn)室里“最不受待見”的學(xué)生,博士讀了7年才畢業(yè)。

接二連三的失敗沒有打翻這艘“從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。薛其坤說,他是沂蒙山里長大的孩子,皮實(shí)。確實(shí),如果沒有這種皮實(shí),恐怕不會(huì)有后來的逆襲,也不會(huì)有量子反?;魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)。

什么是量子反常霍爾效應(yīng)?在一個(gè)材料中,電子的運(yùn)動(dòng)一般來講是高度無序的,電子和晶格、電子和雜質(zhì)、電子和電子都能形成碰撞,產(chǎn)生電阻、發(fā)熱,從而造成能量損耗。但此時(shí),如果給薄膜樣品外加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng),在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)像高速公路上的汽車一樣,沿樣品邊緣分道行駛,互不干擾,這個(gè)非常有趣的現(xiàn)象就叫作量子霍爾效應(yīng)。1979年,它由德國物理學(xué)家馮·克里青發(fā)現(xiàn)。

既然存在量子霍爾效應(yīng),那么是否存在量子反?;魻栃?yīng)——無需任何外加磁場(chǎng),靠材料本身的性質(zhì)就能讓電子運(yùn)動(dòng)變得高度有序?

1988年,美國的霍爾丹教授在理論中提出一種“玩具模型”,可以實(shí)現(xiàn)無磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng),此后近20年間有物理學(xué)家提出各種方案,但是在實(shí)驗(yàn)上未取得任何實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

為什么?量子反?;魻栃?yīng)需要材料本身既具備磁性又是絕緣體,可由于磁體通常為導(dǎo)體,這是一個(gè)自相矛盾的要求。

轉(zhuǎn)折的契機(jī)出現(xiàn)在2005年。那一年,理論物理學(xué)家查爾斯·凱恩、張首晟等成功預(yù)言了一類叫作拓?fù)浣^緣體的新材料。這種內(nèi)部是絕緣體、表面卻可以導(dǎo)電的神奇材料的“出現(xiàn)”,讓這個(gè)矛盾的要求有了實(shí)現(xiàn)的可能。據(jù)此,2008年,張首晟等理論物理學(xué)家又提出了一個(gè)大膽的假設(shè):在拓?fù)浣^緣體中引入磁性,有可能實(shí)現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)。

“這是理論物理學(xué)家在山頂畫出的櫻桃,山頂有沒有櫻桃,沒人知道。”盡管一切都是未知,但在好奇心的驅(qū)使下,薛其坤還是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向這座科學(xué)高峰發(fā)起了進(jìn)攻。那時(shí)的他一直有個(gè)念頭,“能不能像我們崇拜的科學(xué)家那樣,做點(diǎn)更大的、從0到1的成果”。

向著夢(mèng)想全力奔跑。2012年底,薛其坤團(tuán)隊(duì)用“分子束外延”方法,生長出了高質(zhì)量的磁性拓?fù)浣^緣體薄膜材料,最終看到了夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這是世界范圍內(nèi),首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到量子反?;魻栃?yīng)!至此,量子霍爾效應(yīng)家族最后一個(gè)神秘成員在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)。

因?yàn)檫@項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn),薛其坤3個(gè)字不再普通。他被視為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的傳奇人物,開始迎來人生的高光時(shí)刻。

為什么是薛其坤團(tuán)隊(duì)

探尋成功密碼,除了要有勇攀科學(xué)高峰的勇氣,還要有尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的長期積累。

制備一個(gè)同時(shí)擁有拓?fù)?、絕緣、磁性三種特性的薄膜,這是實(shí)現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)的關(guān)鍵和前提。但是,在實(shí)際的材料中同時(shí)滿足上述3個(gè)要求是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。打個(gè)形象的比喻,這就相當(dāng)于要培養(yǎng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)員,他既需要有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度,又要有舉重運(yùn)動(dòng)員的力量,還要有花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的技巧。其中的艱難可想而知。

幸運(yùn)的是,做了20多年分子束外延生長的薛其坤掌握了國際領(lǐng)先的技術(shù)儲(chǔ)備:2002年初,薛其坤等人曾開創(chuàng)過一個(gè)融合分子束外延設(shè)備、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜三種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的超高真空聯(lián)合系統(tǒng),該系統(tǒng)的發(fā)展和熟練運(yùn)用,對(duì)拓?fù)浣^緣體材料的精密控制起到重要作用。

不過,只有“金剛鉆”還不夠。馮硝是薛其坤的博士生,2008年秋季學(xué)期加入研究團(tuán)隊(duì)。她說,是面對(duì)困難不屈不撓的精神,讓他們?cè)谶@場(chǎng)高手云集的競(jìng)技中領(lǐng)先一步。

實(shí)現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)的薄膜樣品只有5納米的厚度,相當(dāng)于頭發(fā)絲的十萬分之一,肉眼幾乎看不到。制備這種薄膜材料,需要將幾種元素用分子束外延法一層一層生長起來。但具體怎樣生長,幾種元素如何配比,結(jié)構(gòu)如何搭建,都十分復(fù)雜精妙。

4年來,這樣的薄膜樣品,薛其坤團(tuán)隊(duì)生長了1000多個(gè),每一個(gè)樣品從生長到完成測(cè)試,至少需要三四天。生長、測(cè)試,失敗、改進(jìn),再生長、再測(cè)試……“在一次又一次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,很多時(shí)候我們都是在不斷試錯(cuò)。”馮硝感慨道。

更大的挑戰(zhàn)來自實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的不確定性。2011年底,薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)終于制備出了兼具磁性、拓?fù)?、絕緣三種特性的薄膜樣品??珊芸欤芯坑窒萑胪磺暗臓顟B(tài),大家有些動(dòng)搖。

“從理論來看,當(dāng)時(shí)我們能想到的所有問題似乎都解決了,但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果離最終的成功還非常遙遠(yuǎn)。”回憶起2012年初最困難的那段時(shí)光,薛其坤團(tuán)隊(duì)成員何珂說,那時(shí)大家都很焦慮,壓力很大,“因?yàn)檠芯繒r(shí)間比較長,付出了很多努力,非常擔(dān)心研究就此停滯不前”。

面對(duì)蔓延的負(fù)面情緒,薛其坤作為研究團(tuán)隊(duì)的“大家長”,給大家講起了他人生中最難熬的那段日子:在日本留學(xué)期間,因?yàn)槁牪欢畬?dǎo)師的指令,他經(jīng)常受到嚴(yán)厲指責(zé),導(dǎo)致導(dǎo)師和同學(xué)們一起做實(shí)驗(yàn)時(shí),他不敢碰儀器,只在一邊怔怔地看。但為了給中國人爭(zhēng)口氣,他最終咬牙堅(jiān)持了下來,并取得了一項(xiàng)重要的科研突破,這是日本東北大學(xué)近30年來最重要的一項(xiàng)成果。

“只要敢于正視困難,就沒有過不去的坎兒。”薛其坤為大家加油鼓勁。

事實(shí)上,在日本求學(xué)的那段經(jīng)歷不僅磨練了薛其坤的意志,也讓其形成了“7—11”的作息時(shí)間,并一直堅(jiān)持到現(xiàn)在。薛其坤的很多學(xué)生曾經(jīng)較勁,“想趁著自己年輕,和薛老師比一比,看誰先到實(shí)驗(yàn)室,誰最后一個(gè)離開”。但多年來幾乎沒人能贏。

“很多時(shí)候,大家一起從外地出差回來,已是晚上十一二點(diǎn),但他還堅(jiān)持去實(shí)驗(yàn)室,和大家討論實(shí)驗(yàn)。”薛其坤對(duì)科學(xué)研究持久的熱情和努力,讓清華大學(xué)物理系教授王亞愚驚嘆不已。

這種超乎常人的勤奮,薛其坤的體會(huì)是“累并快樂著”。他說,科學(xué)探秘,就像偵探解謎一樣有趣,“從事科研這么多年,我極其努力,也非??鞓?rdquo;。

再攀科學(xué)高峰

瘦削的臉上架副眼鏡,無論對(duì)誰總是笑呵呵的,在同事眼中,“山東漢子”薛其坤平易近人、天生樂觀、性格豪爽。

“在薛其坤眼里,幾乎就沒有什么東西舍不得送人。”有位老師這樣感慨。

對(duì)此,王亞愚深有體會(huì),“我們?nèi)忾_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)常有哪個(gè)學(xué)生夸他的東西好,他當(dāng)場(chǎng)就會(huì)送給人家”。

在學(xué)生眼里,導(dǎo)師薛其坤大部分時(shí)候和藹可親,會(huì)經(jīng)常買些牛奶、夜宵、營養(yǎng)品送給他們,但若犯了錯(cuò),他也會(huì)狠狠批評(píng)。

有一次,他像往常一樣去實(shí)驗(yàn)室,恰巧碰到一位學(xué)生在電腦上瀏覽無關(guān)網(wǎng)頁,薛其坤頓時(shí)火冒三丈。“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!”學(xué)生頭一次見他發(fā)這么大的脾氣,卻也明白“薛老師這是既生氣又心痛”。

在實(shí)驗(yàn)技術(shù)與科研訓(xùn)練中,薛其坤對(duì)學(xué)生們的要求更是近乎苛刻:對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器要長年累月準(zhǔn)確無誤地操作;寫論文,就連標(biāo)點(diǎn)符號(hào)也不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。

薛其坤認(rèn)為,這種追求極致的科研態(tài)度,是一個(gè)科研工作者不可或缺的品質(zhì)。他常常對(duì)學(xué)生說,物理實(shí)驗(yàn)的成功是建立在扎實(shí)的基本功之上,如果沒有精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和細(xì)致操作,就很難取得重大的科研成果。

如今,在量子反常霍爾效應(yīng)之后,薛其坤繼續(xù)享受著攀登科學(xué)高峰帶來的快樂。這次,他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了兩個(gè)難題:一個(gè)是在更高的溫度下甚至室溫下嘗試觀測(cè)到量子反?;魻栃?yīng),讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用;另一個(gè)是高溫超導(dǎo)機(jī)理。

他充滿期待地說:“如果我們把謎底揭開了,就有可能設(shè)計(jì)出高溫超導(dǎo)材料,在室溫下甚至更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),這將是對(duì)全人類的重要貢獻(xiàn)。”

人物小傳

薛其坤,1963年12月生,籍貫山東蒙陰。1999年至2005年任中國科學(xué)院物理研究所研究員,1999年至2005年任表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。2005年起任清華大學(xué)物理系教授,同年被增選為中國科學(xué)院院士。歷任清華大學(xué)理學(xué)院院長、清華大學(xué)副校長、北京量子信息科學(xué)研究院首任院長、南方科技大學(xué)校長、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心主任。

薛其坤是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域享有國際聲譽(yù)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了量子反常霍爾效應(yīng)和界面高溫超導(dǎo)兩項(xiàng)原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)。拓?fù)浣^緣體中量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一次里程碑性突破,異質(zhì)結(jié)界面高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)則開啟了高溫超導(dǎo)的全新研究方向,均在國際上產(chǎn)生巨大學(xué)術(shù)影響。

讓基礎(chǔ)研究“冷板凳”熱起來

沈 慧

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以說非常折磨人。”一向豁達(dá)樂觀的薛其坤后來在一篇文章中坦承。量子反?;魻栃?yīng)研究團(tuán)隊(duì)前后涉及20多位博士生,團(tuán)隊(duì)里的每位學(xué)生都想畢業(yè)并獲得清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文,但每個(gè)人都不知道這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終能不能成功。大家就在這種不確定的情況下堅(jiān)持干了4年。

這恰恰就是基礎(chǔ)研究,尤其是以好奇心驅(qū)動(dòng)的自由探索類基礎(chǔ)研究最大的特點(diǎn)——與不確定性共舞。正如牛頓在探索天體運(yùn)行規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,法拉第和麥克斯韋從對(duì)電流和磁場(chǎng)規(guī)律的興趣出發(fā)創(chuàng)立了電磁學(xué)理論,普朗克在研究黑體輻射的過程中奠基了量子力學(xué),這些后來大大拓展了人類認(rèn)知邊界的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn),正是基礎(chǔ)研究不確定性的有力例證,也是基礎(chǔ)研究的神奇誘人之處。

不過,這種巨大的不確定性也決定了基礎(chǔ)研究區(qū)別于一般的應(yīng)用型研究,具有難度大、周期長等特點(diǎn)。就像量子反?;魻栃?yīng)從提出“玩具模型”到最終被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),中間隔了20多年?;A(chǔ)研究特別是重大原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究,“十年磨一劍”是常態(tài),有時(shí)甚至是幾十年“磨一劍”。這啟示我們,要充分遵循科學(xué)研究的規(guī)律,對(duì)待基礎(chǔ)研究既要有足夠的耐心和寬容失敗的恒心,也要加快構(gòu)建基礎(chǔ)研究長周期支持機(jī)制和更為科學(xué)合理的評(píng)價(jià)機(jī)制。

2023年,基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)支出增長9.3%,基礎(chǔ)研究投入比重連續(xù)5年超過6%;今年起,對(duì)上一年年底資助期滿的國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目開展分級(jí)評(píng)價(jià),同時(shí)擇優(yōu)遴選出不超過20%的優(yōu)秀項(xiàng)目給予第二個(gè)五年滾動(dòng)支持,資助強(qiáng)度加大至800萬元……近年來,不斷強(qiáng)化基礎(chǔ)研究前瞻性、戰(zhàn)略性、系統(tǒng)性布局,一個(gè)更加有利于基礎(chǔ)研究的科研生態(tài)正在加速構(gòu)建。

一代人有一代人的使命,一代人有一代人的擔(dān)當(dāng)。面對(duì)百年未有之大變局,我們期待薛其坤們勇攀科技高峰,把基礎(chǔ)研究的“冷板凳”坐熱,實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破。

[責(zé)任編輯:潘旺旺]