薛其坤：“抓”量子的“皮實”科學家

今年6月24日，當薛其坤斬獲國家最高科學技術獎時，人們關注到他身上的“優(yōu)越點”：年齡。從2000年頒發(fā)國家最高科學技術獎開始，直到今年之前，獲獎人在獲獎時的平均年齡大約是83歲。而薛其坤在尚未滿61歲的時候就獲得此項殊榮，實屬“年輕”。

考了兩次39分

1963年12月，薛其坤出生在山東省蒙陰縣。恢復高考后的第三年，薛其坤走上了高考考場，物理滿分100分，他考了99分。這個普普通通的農(nóng)家子弟得以走出沂蒙山區(qū)，被山東大學光學系激光專業(yè)錄取。

在山東大學的4年，盡管薛其坤沒有缺席過一堂課，卻不是班里學習成績的佼佼者。本科期間，他獲得的最高榮譽是：大二時與室友合寫的一篇論文得了學校舉行的五四青年節(jié)科學論文比賽一等獎。這大大激發(fā)了他從事科研的熱情。

1984年，薛其坤大學畢業(yè)，懷著對科研的樸素向往，他決定報考研究生。然而，第一年考研，他的高等數(shù)學只得了39分。他毫不猶豫選擇“二戰(zhàn)”，這一次大學物理又得了39分。

兩次39分的打擊讓薛其坤意識到自己在基礎知識上的短處，將連續(xù)失敗視作把基礎知識打扎實的好機會。1987年，薛其坤“三戰(zhàn)”終于成功，進入中國科學院物理研究所學習。

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)與微觀結構以及它們之間關系的學科，而場離子顯微鏡就是能夠進入微觀世界的“眼睛”。在導師陸華的帶領下，薛其坤每天至少要試做3個場離子顯微鏡的樣品針尖。兩年下來，他做了1000多個針尖，“手藝”已臻化境。

1992年，薛其坤在導師的推薦下，作為中日聯(lián)合培養(yǎng)博士生，前往日本東北大學攻讀博士學位。日方的聯(lián)合培養(yǎng)導師是櫻井利夫，一位物理學界學術“大拿”的關門弟子，主要研究領域是1981年才發(fā)明的掃描隧道顯微鏡相關研究。

在櫻井利夫的實驗室，薛其坤經(jīng)受了“早起晚歸”的嚴峻考驗。

首先遇到的是作息關。櫻井利夫以嚴格著稱，他的實驗室被稱為“7—11實驗室”：每周6天，早上7點需到達實驗室，當晚11點之前不允許離開。困意襲來時，為了使自己能頭腦清醒地學習，薛其坤就“擰”自己的腿。實在頂不住了，他就跑到衛(wèi)生間，坐到馬桶上打個盹兒。其次是語言關。因為不懂日語，英語聽力又差，薛其坤起初幾乎聽不懂老師們的指令，當老師們帶著其他學生一起做實驗的時候，他連碰都不敢碰，只能怔怔地看著。

背井離鄉(xiāng)、工作高壓、語言不通、不受待見……這讓薛其坤感到前所未有地受挫，但他堅持了下來。他說，自己是在沂蒙山區(qū)長大的孩子，“皮實”。

“皮實”的薛其坤心里憋著一股勁：想要做出一個像樣的科研成果，給推薦自己出國的導師和自己有個交代。為了這個目標，薛其坤每天只做三件事：“吃飯、睡覺、搞科研。”

在這嚴格的工作環(huán)境下，他學會了怎么做掃描隧道顯微鏡實驗，掌握了分子束外延技術。接到第一個課題后一年半，薛其坤就取得了一個重要突破，這也是櫻井實驗室30年來的最大成果之一。就這樣，薛其坤成了櫻井實驗室當之無愧的科研骨干。

博士畢業(yè)后，薛其坤先后在日本東北大學金屬材料研究所和美國北卡羅來納州立大學物理系工作。但國外的職位并沒有讓他安心，因為看到了中國與世界有著巨大的差距，薛其坤更加想回到祖國，“幫助國家做一點事”。

“山頂可能有櫻桃”

1994年，中國科學院啟動“百人計劃”，朱日祥、曹健林、盧柯等14位杰出青年科學家率先回到祖國。1998年，在材料科學領域已頗有名氣的薛其坤也入選該計劃，回國進入中國科學院物理研究所工作。

2005年，薛其坤調(diào)入清華大學物理系任職，年底，42歲的他當選為中國科學院院士。不久后，他將目光投向了物理學的一個前沿方向：拓撲量子物態(tài)。

當時，芯片已然成為信息時代最重要的工具之一，是處理大量信息的“大腦”。在指甲蓋大小的芯片里封裝數(shù)十億個晶體管，堪稱人類最復雜的壯舉之一。可是，當數(shù)據(jù)量指數(shù)性爆發(fā)，僅憑集成更多晶體管不再“一招鮮”，元器件的發(fā)熱問題成為限制算力提升的瓶頸。

在材料中，電子的運動是高度無序的。電子和電子、電子和雜質(zhì)會不斷碰撞，產(chǎn)生電阻、發(fā)熱等。如果給薄膜材料外加一個強磁場，電子有可能立即“規(guī)矩”起來，沿著邊界不受阻礙地運動，這種有趣的現(xiàn)象叫作量子霍爾效應。1988年，美國的霍爾丹教授提出假設：在兼具自發(fā)磁化和電子態(tài)特殊拓撲結構狀態(tài)下，有可能在不外加磁場的情況下產(chǎn)生量子霍爾效應。這就是量子反常霍爾效應。

多年來，量子反常霍爾效應如同一個傳說中的“寶藏”，讓各國物理學家魂牽夢繞，卻沒人能證明它真實存在。

2005年，一種新的概念——拓撲絕緣體概念被提出。科學家認為，在拓撲絕緣體薄膜中引入鐵磁性，理論上有可能實現(xiàn)量子反常霍爾效應。

但找到這樣的材料很難：它的邊緣態(tài)能導電，內(nèi)部又是絕緣體，還得具備磁性，而磁體通常為導電體，這是一個自相矛盾的要求。因此，有人將這項全球實驗物理學家面臨的巨大挑戰(zhàn)，形容為“沒有賽道的競技場”。

2008年，利用分子束外延生長等技術，薛其坤研究團隊研制出了國際最高質(zhì)量的拓撲絕緣體樣品。

然而，能否在這種材料中觀測到量子反常霍爾效應？何時能觀測到？誰也不知道，很可能終其一生都無法完成。薛其坤說：“這是理論物理學家給我們畫出的櫻桃。山頂可能有櫻桃，但到底有沒有，不知道。”

2009年起，薛其坤團隊開始對量子反常霍爾效應進行實驗攻關。

一開始就不順利，團隊遭遇了長達1年多的瓶頸期，實驗毫無進展，許多博士生覺得干不下去了。奇跡出現(xiàn)在2012年10月12日晚上10時35分。薛其坤收到學生常翠祖發(fā)來的一條短信：“薛老師，量子反常霍爾效應出來了，等待詳細測量。”薛其坤不太敢相信自己的眼睛，立即打電話再三確認情況。可以確定的是，量子反常霍爾效應的跡象有了。

但嚴謹?shù)目茖W精神告訴薛其坤，一次結果不能說明問題，需要用不同的樣品多次重復實驗。薛其坤團隊又進行了兩個月的集中測試和不斷鉆研。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)，觀測到了量子反常霍爾效應。

2013年4月10日，量子反常霍爾效應成果發(fā)布會在清華大學舉行，楊振寧對此予以高度評價：“從中國實驗室里第一次發(fā)表出來了諾貝爾物理學獎級別的論文……是整個國家發(fā)展中的喜事。”

成果發(fā)布后，薛其坤團隊受到曾經(jīng)領先的部分國際同行對實驗數(shù)據(jù)真實性的質(zhì)疑。直到一年半后，日本和美國的2所國際著名高校研究團隊相繼復現(xiàn)了這一實驗結果，證明了實驗的可靠性，質(zhì)疑才煙消云散。此時，全世界科學家紛紛對薛其坤團隊的成果表達了高度贊賞。

看到“山頂上的櫻桃”那一年，薛其坤不滿50歲。他不常提及困難，而是常常說起感謝。他說自己是個“幸運兒”，“一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船”，乘著改革開放的春風，上了大學，趕上了科學的春天，最終取得了“從0到1”的突破，“沒有國家的強大、經(jīng)濟的發(fā)展，這個實驗是做不成的”。

薛其坤也是一名教育工作者。他2005年起任清華大學物理系教授，2013年擔任清華大學副校長，2020年擔任南方科技大學校長。近20年的教育工作讓他桃李滿園，跟著他讀完博士、博士后的學生有120多名。薛其坤對此感到很驕傲，笑著說他們都能組成“一個連”了。

今年7月4日，在南方科技大學2024屆本科生畢業(yè)典禮上，兩名畢業(yè)生給薛其坤送上一只南方科技大學足球隊簽名的足球，表示要和薛校長“切磋球藝”。花甲之年，他忙得不亦樂乎，但他的身上看不出一點高強度工作帶來的疲憊，而是展示出一種愉悅和從容。

這艘從沂蒙山區(qū)駛出的“小船”，仍在路上。

（摘自《環(huán)球人物》2024年第14期）