張金松：“掘金”量子物理

張金松，清華大學物理系2008 級博士生。所在團隊通過四年的不懈努力，在實驗上首次實現了量子反常霍爾效應，相關成果以共同第一作者身份發表在《自然》雜志上，被楊振寧先生稱為第一次在中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文。曾任物理系研究生會學術副主席，獲清華大學“學術新秀”、博士研究生學術新人獎等榮譽。2013年7月被評為清華大學優秀共產黨員。2013年8月榮獲第八屆中國青少年科技創新獎。

坐在清華大學萬人食堂的咖啡廳里，張金松和來這里學習交談的學生們看似差別不大，瘦小的他，一身休閑裝扮，學生氣的金絲眼鏡搭配略顯羞澀，“學術牛人”就掩蓋在這樣低調的外在之下，這樣的他一不留神就會淹沒在校園無數個求學的身影當中。張金松坦言，他險些就成了碌碌人群中的一員，左右命運的，除了那么一點點機遇之外，還有他一直堅守著的一句話——“堅持是一種精神，挑戰是一種信仰。”

當張金松以第一作者的身份在美國《科學》雜志上發表了量子反常霍爾效應的實驗成果，被楊振寧稱贊為“中國實驗室里發表的第一次諾貝爾獎級的物理學論文”、被評為清華大學“學術新秀”、榮獲第八屆中國青少年科技創新獎時，他剛滿28 歲。

這一次，張金松終于讓楊振寧認識了當初茫茫眾生中，那個悶頭聽他講《普通物理》課的小伙子。

“小直覺”結緣物理學

“動手”是張金松的強項，也許是來自于木工父親的遺傳，小時候的他像很多男孩子一樣愛“搞破壞”。家里的小物件他都會拆開來，好奇地看看里面到底是什么。他的手很巧，拿張紙，不一會兒就能折出小汽車和小飛機，有時候他也會買些零件，沉浸在自己組裝的快樂當中，這樣的優勢一直伴隨他進入到了后來的學習中，本科時期他的學科成績雖然不是班中的佼佼者，但做起物理實驗卻得心應手，他把這稱為對物理的一點“小直覺”。

為什么選擇學物理，張金松似乎從未像現在這樣需要如此頻繁地思考和面對這個問題，但是實際情況就是，2004年考大學報志愿時，小學未畢業的父母并不能給他任何意見，張金松獨自一人坐在家中，拿著清華大學的招生簡章逐行讀給自己聽，最后選擇了這個自己擅長的學科，懵懂中，他踏入了物理學科的高級殿堂。

9年前的張金松作為一名物理系大一新生，坐在清華六教教室里聽楊振寧先生講《普通物理》時，還在問同學：“楊振寧是誰？”

雖然高考時選擇專業有點“稀里糊涂”，但在高手如云的清華大學，他卻絲毫不敢松懈。大學四年，所有的周末時間都是在自習室里度過的他，恐怕要讓很多的大學生驚嘆了。

“你不談戀愛嗎？不打游戲嗎？沒有業余愛好嗎？”面對記者的疑問，他的回答很簡單：“比起這些，我更喜歡學習。”帶著農村孩子對家庭的責任感和一絲高中時期優等生的小驕傲，張金松不能接受大一第一學期結束時，班級排名第20的現實。四年，近乎苛刻地自我要求，使他在畢業時在班級排名前進到了第6 名。

也許成功者從來都是孤獨的，本科四年的自習生涯，他從來都是來去一人，“堅持”如同一種信仰始終伴隨著他。

“不服氣”走上科研路

“這個專業并不教授專門的職業技能，將來要么轉學其他方向，要么在科學研究上一直走下去。而與多數基礎科學專業一樣，物理專業畢業后很難讓他找到一份報酬豐厚的工作。”有這種想法時，張金松剛上大學二年級，看著周圍其他專業陸續出現到大公司拿高薪的師哥師姐和生活拮據的爹媽，他動搖了。

大三的暑假小學期，有意在讀研時換專業的張金松報名參加了自動化專業的一個實習項目。自動化是清華的王牌專業，就業一直強勁。然而在實習臨近結束時，張金松發現，指導老師連自己的名字都沒記住。

失落感讓張金松意識到，物理才是自己的專長和感情所在。大學三年下來，張金松成績一直名列前茅，順利獲得直博資格。就這么換專業？張金松第一次有了不服氣的念頭：“物理學了那么多年，就那么放棄，對得起自己嗎？”

當他的心向物理學靠近時，幸運之神也選擇了這個不服輸的少年，王亞愚老師回國了，并準備在清華物理系組建新的實驗室。在美國期間，王亞愚由于在高溫超導領域的杰出工作，被授予凝聚態物理青年物理學家的最高獎項。

這一次，張金松沒有猶豫，拜在了王亞愚門下。

直博二年級時，張金松到美國布魯克海文國家實驗室進行了為期一年的交流學習。然而，美國導師對張金松并不重視，只是安排他做一些打雜之事。長時間的“悠閑”，讓一心想搞科研的張金松憋得發慌，美國導師的輕視，又一次激發了他心中的不服氣：“回國之后，一定要在科研上搞點名堂出來！”

2010年秋，急于回國參加科研項目的張金松，提前7 天回國。回國之后，薛其坤院士領銜的研究團隊已經投入量子反常霍爾效應的實驗研究，王亞愚教授在其中擔任重要的輸運測量工作。張金松沒有休整，立刻加入團隊，終于開始了自己的科研之路。

“沉下心”享受美妙處

隨著量子物理的發展，在實驗中觀測到量子反常霍爾效應成為全世界科學家夢寐以求的目標，這一次，張金松和團隊成員一起，發起總攻。為了尋找和驗證這一效應，他和團隊整整花了4年時間，測量了1000 多個樣品，按照分工，張金松承擔了對實驗材料的輸運性質進行精密測量的工作。對張金松來說，這可謂正中下懷。動手能力強，是他在童年時就展現出來的特點。

張金松對物理的那點“小直覺”很快在實驗中得以發揮。按照流程，在測量之前，樣品要先進行復雜的電極鍍膜，為了省錢，項目組總要攢夠7、8 個樣品再去鍍膜，而每個樣品的平均測量周期都要2天左右。兩個月后，張金松受不了了：“這也太慢了！”

張金松借鑒了別人用金屬銦做電極的方法。為此，他把一整塊銦像切土豆一樣，先切條再切塊，最后切成只有圓珠筆的圓珠大小的微粒。一番搗鼓之后，終于成功。實驗室的測量效率為之大幅提高，從以前的每周發送一次測量數據變為了每天都能發送一次測量數據。張金松說：“我是一個非常務實的人，覺得用樣品加工得再漂亮，不夠快也是不好的。如果按照以前的效率，我們肯定不會這么快的得出最后的成果。”

“有時候就是這樣，為了一個突破，要花很長的時間。”他說，在這種枯燥的研究中，張金松也在享受著物理帶給他的美妙。“你能不能想象在一個特殊的材料里，里面的電子就像高速公路的汽車一樣沿著特定車道行駛，而不是像普通材料里的電子那樣雜亂無章。這樣如果應用到電腦或者手機里，那運行應該會更快，產熱也會非常少。”

測量中，同伴們經常能看到這樣一幕，張金松經常貼在顯微鏡前，用牙簽把6 粒銦粒準確嵌到只有幾平方毫米大小的材料上。每每這時，張金松就屏住呼吸小心翼翼，“呼吸動作一大，氣流就把材料吹跑了。”

在團隊成員的共同努力下，歷經4年，2012年10月15日，量子反常霍爾效應的表現數據終于出現在儀器上。2013年3月15日，相關論文在美國《科學》雜志在線發表，張金松為4 名共同第一作者之一，楊振寧評價：“這是第一次從中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文。”

“迎挑戰”不做跟隨者

“她最為美妙的地方主要有兩點，第一，處于量子反常霍爾效應的電子與普通材料中的電子相比，就好像是在高速公路上行駛的汽車一樣，互不干擾，高速運行；第二，量子反常霍爾效應的材料本身就是一個鐵磁體，因此不需要任何外加強磁場，就可以讓電子在高速公路上行駛，為這個應用帶來了廣闊的前景。這意味著，量子反常霍爾效應如果能夠在我們的日常生活中得到應用，將很有可能開啟新一輪的科技革命。”談到量子反常霍爾效應，他就像在談論自己的愛人一樣語調溫柔。

然而，他與量子反常霍爾效應的這一段“感情路”卻坎坷遍布，包括物理在內的基礎科學研究，往往無法預期能獲得科研成果。“那時的迷茫，主要來自對未來的不確定。你并不知道花費那么多時間，最后能不能得到想要的結果。”張金松說。實驗中，曾有長達7 個月的時間，大家每天制作材料、進行測量，一天之內就完成一個循環。然而，材料一個個淘汰，實驗卻沒有取得任何進展。

所有能想到的問題都已想到，所有能嘗試的方法都已嘗試，幾乎所有的學生都覺得不可能再干下去了。張金松說，那時大家甚至開始懷疑，量子反常霍爾效應是否真的可以被實驗發現？

關鍵時刻，團隊帶頭人薛其坤說：“我們現在從事的實驗工作是非常重要的，你們有可能發現從沒有人看到過的東西。要是看到了，這一輩子都值了；要是看不到，你們也能從中歷練、成長很多。”

隨后不久，同學的一次偶然對比試驗，發現樣品表面在不覆蓋任何保護層時，量子反常霍爾效應變得更加明顯。從此，實驗取得重大突破。8月22日，站在中國青少年科技創新獎的發言臺上，張金松發表獲獎感言：“做科學研究必須持之以恒，學會面對失敗，不輕言放棄！”

“剛開始做科研的時候，導師讓我干什么，我就干什么。現在，我們更傾向于主動提出想法，主動開拓思路，共同解決科研問題。”從被動科研轉變成主動科研，是張金松人生中的重要一步。

即將博士畢業的張金松，已經聯系好了下一站——斯坦福大學。張金松說：“在量子反常霍爾效應這個實驗上，我做的工作不是不可取代的，我的導師可以，師弟師妹也可以。”渴望獨立創新工作的他希望通過更多的項目來證實自己，“在一個項目上取得成績，可能會有些運氣因素。但如果在很多的項目上都取得成績，那就真正說明了你的能力。”