61歲！6月24日，國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)迎來(lái)有史以來(lái)最年輕得主。
他就是發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的著名凝聚態(tài)物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)、巴克利獎(jiǎng)首位中國(guó)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(guó)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(guó)科技界的崇高榮譽(yù)——2023年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。
幾十年來(lái)，他一直保持“7—11”（早7時(shí)到實(shí)驗(yàn)室，晚11時(shí)離開(kāi)）的工作狀態(tài)。世人常說(shuō)科研枯燥無(wú)聊，他卻樂(lè)在其中，每每講起專(zhuān)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(jī)，薛其坤說(shuō)，“1分是天賦，99分是努力”。
書(shū)寫(xiě)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(guó)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”?？杉幢阍谧x研期間，他也沒(méi)有一套像樣的數(shù)據(jù)能寫(xiě)出一篇論文。后來(lái)，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(yǔ)言不通，他聽(tīng)不懂導(dǎo)師的要求，是實(shí)驗(yàn)室里“最不受待見(jiàn)”的學(xué)生，博士讀了7年才畢業(yè)。
接二連三的失敗沒(méi)有打翻這艘“從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。薛其坤說(shuō)，他是沂蒙山里長(zhǎng)大的孩子，皮實(shí)。確實(shí)，如果沒(méi)有這種皮實(shí)，恐怕不會(huì)有后來(lái)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?；魻栃?yīng)？在一個(gè)材料中，電子的運(yùn)動(dòng)一般來(lái)講是高度無(wú)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(chē)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(guó)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常霍爾效應(yīng)——無(wú)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(guó)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(wú)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(lèi)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(huà)出的櫻桃，山頂有沒(méi)有櫻桃，沒(méi)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(zhǎng)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)到量子反常霍爾效應(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(kāi)始迎來(lái)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(zhǎng)期積累。
制備一個(gè)同時(shí)擁有拓?fù)洹⒔^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(mǎn)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(zhǎng)的薛其坤掌握了國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)儲(chǔ)備：2002年初，薛其坤等人曾開(kāi)創(chuàng)過(guò)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(guò)，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(shuō)，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(wàn)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(zhǎng)起來(lái)。但具體怎樣生長(zhǎng)，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(lái)，這樣的薄膜樣品，薛其坤團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)了1000多個(gè)，每一個(gè)樣品從生長(zhǎng)到完成測(cè)試，至少需要三四天。生長(zhǎng)、測(cè)試，失敗、改進(jìn)，再生長(zhǎng)、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(lái)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(lái)看，當(dāng)時(shí)我們能想到的所有問(wèn)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(shuō)，那時(shí)大家都很焦慮，壓力很大，“因?yàn)檠芯繒r(shí)間比較長(zhǎng)，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(zhǎng)”，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?tīng)不懂導(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(guó)人爭(zhēng)口氣，他最終咬牙堅(jiān)持了下來(lái)，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(lái)最重要的一項(xiàng)成果。
“只要敢于正視困難，就沒(méi)有過(guò)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(shuí)先到實(shí)驗(yàn)室，誰(shuí)最后一個(gè)離開(kāi)”。但多年來(lái)幾乎沒(méi)人能贏。
“很多時(shí)候，大家一起從外地出差回來(lái)，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(lè)著”。他說(shuō)，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?lè)”。
再攀科學(xué)高峰
瘦削的臉上架副眼鏡，無(wú)論對(duì)誰(shuí)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(lè)觀、性格豪爽。
“在薛其坤眼里，幾乎就沒(méi)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)?guó)外開(kāi)會(huì)，薛老師會(huì)拿自己的錢(qián)給學(xué)生發(fā)零花錢(qián)。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(mǎi)些牛奶、夜宵、營(yíng)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(wú)關(guān)網(wǎng)頁(yè)，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(jiàn)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(zhǎng)年累月準(zhǔn)確無(wú)誤地操作；寫(xiě)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(shuō)，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(méi)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?；魻栃?yīng)之后，薛其坤繼續(xù)享受著攀登科學(xué)高峰帶來(lái)的快樂(lè)。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)到量子反常霍爾效應(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(mǎn)期待地說(shuō)：“如果我們把謎底揭開(kāi)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(lèi)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(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，1999年至2005年任表面物理國(guó)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(guó)科學(xué)院院士。歷任清華大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)、清華大學(xué)副校長(zhǎng)、北京量子信息科學(xué)研究院首任院長(zhǎng)、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)、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(guó)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?；魻栃?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?；魻栃?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(kāi)啟了高溫超導(dǎo)的全新研究方向，均在國(guó)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(lái)
沈 慧
“這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)非常折磨人。”一向豁達(dá)樂(lè)觀的薛其坤后來(lái)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(lèi)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(wàn)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(guò)程中奠基了量子力學(xué)，這些后來(lái)大大拓展了人類(lèi)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(guò)，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(zhǎng)等特點(diǎn)。就像量子反常霍爾效應(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(zhǎng)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(zhǎng)9.3%，基礎(chǔ)研究投入比重連續(xù)5年超過(guò)6%；今年起，對(duì)上一年年底資助期滿(mǎn)的國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目開(kāi)展分級(jí)評(píng)價(jià)，同時(shí)擇優(yōu)遴選出不超過(guò)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(wàn)元……近年來(lái)，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。
