薛其坤：攻克量子世界制高點

■ 黃昉苨

盡管“貴”為清華大學物理系主任，在兩個月前的清華校園，薛其坤還不是一個多么引人注意的角色。不止一個見過他的人表示，幾乎聽不懂這位中科院院士與別人隨口說起的科研內容。

而事實上，他即將開啟一個全新的時代。4月9日，由他領導的來自清華大學、中國科學院物理所與斯坦福大學的科學家們組成的團隊宣布，他們從實驗中觀測到了量子反常霍爾效應。而這一發現甚至令年過九旬的諾獎得主楊振寧都激動了：“這是一個諾貝爾獎級的成果。”

對普通人而言，“量子反常霍爾效應”不僅是一個讓人云里霧里的科學名詞，還意味著某種科幻般的未來生活：若這項發現能投入應用，超級計算機將有可能成為iPad大小的掌上筆記本，智能手機內存也許會超過目前最先進產品的上千倍，除了超長待機時間，還將擁有當代人無法想象的快速。

美妙場面終實現

薛其坤團隊的最新發現，在科學家眼中是一個極為美妙的現象。

在擺滿儀器設備的實驗室，清華大學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畫：一個透明的長方體物件內，許多玫紅色小顆粒正在橫沖直撞。

“如果這是一個一般的金屬材料或者半導體材料，那里面的電子運動是非常無序的。它們雜亂無章，互相碰撞，這就引起電子器件的速度降低，而且會使能耗增大。”譬如，盡管有風扇“呼啦呼啦”地吹，工作多時的筆記本電腦卻還是熱得燙手，反應緩慢得像老牛爬坡。

但這些粒子可以被科學家們“管”起來，順著一定規律在材料內老老實實地“排隊跑步”。

“如果我們在材料上加一個非常強的磁場，電子運動就變得有規律了——它們在材料的兩端，像高速公路上的汽車一樣，這么反向運動，這時候，電子運動速度就變快了。”王亞愚解釋說。

在上世紀80年代，這種量子霍爾效應被德國物理學家馮·克利青在研究極低溫度和強磁場中的半導體時偶然發現。這一成果讓他獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。

只是，讓肉眼都看不到的電子規律地運動需要極強的磁場，至少得是一個一人高、冰箱一般大小的設備。這運作起來非常麻煩，而且極其昂貴。

顯然，這不是一件能走出實驗室的“降溫提速設備”。

這也就是為什么薛其坤的團隊在實驗中觀測到的量子反常霍爾效應是這么重要、又是這么優美了：在零磁場中，材料的反常霍爾電阻達到量子電阻的數值，并形成一個平臺，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”暢通有序地運動著。這一次，沒有強大的磁場。

這一場面證實了科學界等待多年的預言。

“這是量子霍爾家族的最后一位成員。”一位美國科學家在《科學》雜志上撰文稱，“不需要外磁場的量子霍爾態的實驗觀測，使人們終于能夠完整地研究量子霍爾效應的三重奏了。”

▲薛其坤院士（左）與學生交流科研心得

“7-11”院士

在同行中，薛其坤有一個比“院士”更響亮的名號叫“7-11”：早上7點進實驗室工作，一直干到晚上11點。這樣的作息時間，他堅持了20年。

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

其實，他并不是天才：大學畢業后一次次考研，第一次考哈爾濱工業大學，高等數學只考了39分，落榜；兩年后報中科院物理所，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，這個大齡研究生“整天處在維修儀器的苦惱狀態中”。當年，物理所的設備不靈光，常常做不了實驗。就算一次次做實驗，但得到的數據也總是對不上號。

直到全無日語基礎的他被送往日本東北大學聯合培養，生活才逐漸順利起來。也正是在日本導師櫻井利夫的要求下，他養成了“7-11”的工作習慣。起初，語言的不通、嚴苛的作息也曾讓薛其坤感覺異常疲憊和孤單。但他咬牙堅持，實在疲倦了，還曾躲進廁所里瞇一會兒。

留學經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，這位科學家風趣幽默，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，這位導師每次出差后回北京的第一件事，就是去實驗室看看有沒有新發現，哪怕已經是晚上12點。

最最喜悅的一天

2012年10月12日晚上10點35分，薛其坤接到團隊成員、博士生常翠祖的一條短信：“薛老師，量子化反常霍爾效應出來了，等待詳細測量。”那一天，距離霍爾最初發現這種電磁效應已130年有余，距離薛其坤的團隊開始實驗，也已整整4年。

在這4年里，薛其坤和他的團隊先后嘗試了1000多個拓撲絕緣體樣品。

磁性拓撲絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的理想系統。要實現量子反常效應，對材料的要求非常高：這種材料必須具有拓撲特性，具有長程鐵磁序，體內則必須是絕緣態。按科學家的解釋，就好比要求一個人具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧。

在薛其坤的指導下，研究人員用于實驗的拓撲絕緣體樣品以“原子”為單位：在100萬個原子中，只能有一個雜質原子。這1000多個不到小拇指指甲蓋大小的特殊實驗材料，都需要在超真空環境中慢慢長出來，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驗團隊成員，每天都通過電話和郵件交流實驗結果，隔兩三周就充分討論實驗的所有細節。

最終大家的付出得到了最豐厚的回報。實驗測量到的數據是一條漂亮的曲線，與理想情況下量子反常霍爾效應的行為完美地吻合。

團隊成員觀測到的現象，是在接近絕對零度的極低溫度下對拓撲絕緣體薄膜進行精密測量后獲得的。也就是說，目前要談論這種現象在生活中的實際應用，還為時過早。

但對為之付出多年努力的科學家們而言，這一結果已經足夠令人驚喜。“這可能是我們人生中最最喜悅的一天。”薛其坤的合作者，斯坦福大學教授張首晟說。※