声音 | 薛其坤:盛誉之下,仍然静作量子王国垂钓者

来源:搜狐教育 2016-10-12 19:52:00

日前,中国科学院院士、清华大学物理系教授薛其坤获得首届“未来科学大奖”,以奖励其利用分子束外延技术在对新奇量子现象研究中取得的突破性发现。我们特别刊出10月10日发表在《新华每日电讯》的人物专访——《盛誉之下,仍然静作量子王国垂钓者》,以飨读者。

9月19日,首届未来科学大奖的“物质科学奖”花落物理学家薛其坤身上。这位早在2013年被称作“离诺奖最近”的中科院院士,是守望量子世界十余年的量子反常霍尔效应的发现者。

现场连线环节,得知获奖的薛其坤在电话另一端颇感意外。

“很突然,非常感谢……高温超导研究是固体物理学的难题之一,希望继续走下去。我一定好好努力。”

言语间,一个谦逊质朴、不乏真诚的科学家形象赢得满堂喝彩。面对业内赞誉,他希望更多的机会和荣誉能够垂青年轻人。

自1999年回国以来,潜心超导研究的薛其坤刻意回避进入公众视野。终于,2013年4月9日,在量子反常霍尔效应的发布会上,国内外同行的高度赞誉与诺贝尔物理学奖获得者杨振宁的评价方才让更多人明白这项成果的分量:

“这是从中国的实验室里头,第一次做出并发表出的诺贝尔奖级的物理学论文。”

鲜花和盛誉未曾改变薛其坤的科研轨迹。如今,53岁的他还是继续泡在实验室里,继续与时间赛跑,继续做一名科学“匠人”。

实验室里与时间赛跑的人

对于多数人来说,量子世界像一座未被探索过的山脉。想进入这个世界、与其对话,就好比与一个遥远星系的外星文明取得联系。

对于一个以探索为乐的科学家来说,搞科研则像读侦探小说,下一个发现在哪里,几乎是变幻莫测。

量子世界的未抵之境像磁铁一样吸引着薛其坤。大概所有熟识他的人都知道他“7-11”式的生活轨迹。“早上7点进实验室,晚上11点才离开,这样的作息时间,其坤已经坚持了20多年。”清华大学物理系原主任朱邦芬院士说。

这是薛其坤从日本求学时就养成的习惯。学生们亲切称他为“7-11”,也曾在心里较劲,“想和薛老师比比,看谁先到实验室、谁最后离开”,然多年来几乎无人能赢。这种近乎苦行僧的日常“修炼”,却是薛其坤获得快乐的源泉。

揭开谜底的每一步都充满惊喜。“当你的实验数据比别人准确、漂亮,那种快乐可以体会吗?当一个复杂庞大的仪器被驾驭得如同骑自行车一样娴熟,那种自如可以感受吗?当一项研究取得一再突破,那种骄傲可以想象吗?”薛其坤向记者兴奋地描述这样一种发现中的忘我、忘我中的快乐。

以与时间赛跑为乐的薛其坤也深知肩上沉甸甸的使命——科学发现只有第一、没有第二,只有争分夺秒、没有退路。

“以每50小时完成一个特定条件下的实验计算,则每年可完成100个不同条件下的实验,日积月累,坚持不懈,你一定在领域前列。”回国后的他,没有休息过一个完整的假期和周末,每年平均工作时间在330天以上,每天工作时间在15个小时左右,年平均工作时间高达5000小时。

只要不出差,不管多晚,薛其坤每天总要到实验室看一看,同学生们聊一聊。“那种对科研的投入和热忱,真是让人惊叹。”加入“量子反常霍尔效应”实验团队不久,清华大学物理系博士生冯硝就被薛其坤的刻苦精神深深感染,“一开始还觉得这科研时间表很累很枯燥,可在薛老师的影响下,每观测到一个漂亮的数据,就获得无以言表的满足,也便自觉加入到与时间赛跑的行列中。”

量子王国的垂钓者

在诸多科技强国争夺学术话语权的当下,创新是极其重要的稀缺资源。正因如此,在不少国内外同行致力于“增量创新”的同时,薛其坤关心的是富有挑战的、更逼近原始的颠覆性发现。

2012年10月的一个晚上,薛其坤收到学生短信,称他们的实验中观察到了量子反常霍尔效应的迹象。

来不及放下手机的薛其坤立即组织起团队成员,设计实验方案、部署实验细节,马上投入到检测实验的实施步骤中。

接下来几天的实验中,团队成员们用“诚惶诚恐”形容当时的心情。25800欧姆,这是一个所有人期待着的标志性数值。进入最后环节,数据不停地跳动着,10000、20000、25800,数据停住了!

材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻(h/e2~25800欧姆)的数值,并形成一个平台,同时纵向电阻急剧降低并趋近于零,这是量子化反常霍尔效应的特征性行为。

世界量子物理学将记住这一刻——在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,人类终于实现了其量子化。

实验结果干净漂亮,数据完美得不可思议,每位成员都在由衷地感叹:“这真是见证奇迹的时刻!”

结果揭晓当天,薛其坤带了两瓶香槟,去实验室里找团队成员们合影,想要定格这个珍贵的瞬间。这天,离2008年10月实验开始已过去整整4年。

对于量子霍尔效应,薛其坤打了一个巧妙的比方:普通状态下的电子运动轨迹是无序的,时有碰撞。量子霍尔效应里的电子在外加磁场的情况下,运动在“高速公路”上,分道行驶。

而在量子反常霍尔效应中,无需在材料中加外磁场,即可实现电子的“分道行驶”。这解决了外加磁场在实际应用中“价格昂贵”“体积庞大”“不适于便携式电子设备”这一难题。

薛其坤介绍,拓扑绝缘体上实现反常量子霍尔效应由美国斯坦福大学华裔科学家张首晟等人于2008年首次提出。然而实际中,能够制出满足实验需求的拓扑绝缘体材料绝非易事。

薛其坤及其团队却不计困难有几重、成功有几成,不由分说担起使命,就这样潜入了甚为陌生的“量子王国”。

一开始,他们沿国际上惯用的技术路线进行尝试,结果总是失败。渐渐地,他们开始探索用不同元素和结构来生长材料。1000个样品,一次次生长、测量,一次次不顺利、调整,再生长、再测量……

薛其坤和他的团队如同耐心静默且技艺精湛的一行垂钓者,守望着池塘中的每一丝收获。终于,一个个激动人心的成果接踵而至:

2010年,完成对1纳米到6纳米厚度薄膜的生长和输运测量。

2011年,实现对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使其成为真正的绝缘体,并去除了体内电子对输运性质的影响。

2011年底,他们在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行了原位精密调控。

“科学就是科学,就是要循序渐进,来不得半点马虎。”薛其坤说。

走向不惑,理性的科学“匠人”

薛其坤身上,一种很典型的气质是理性。

搞科研,他秉持这种理性一步步逼近真理,实现对科学“极致”的追求。

除了创新的理性之外,身为清华大学副校长的他,还兼具育人的理性。他懂得给予青年人科研发展的自由之路以充分的尊重和鼓励。

在一次题为“走向不惑”的演讲中,他将自己拉下“神坛”,向学生们主动讲起自己求学初期那段并不平坦的人生体验:考了三次才考上的研究生,7年时间才拿到的博士学位,在日本东北大学金属材料研究所留学的八年时间里,更要面对每天加班到深夜的严酷考验……

台下有不少学生被这段诙谐的讲述逗乐,不少科研的“挫败者”重拾起勇气。

“好人”,是薛其坤的学生对他最质朴、真挚的评价。即便是在成为清华大学副校长之后“白天处理事务、晚上心系科研”的忙碌日子里,他始终保持着与学生们研讨的习惯。“不管在哪里见到他,他都会先向你笑——那样咧着嘴、高兴到心里的笑,感染着我们每个人。”他的学生告诉记者。

学生们还说,薛其坤乐观、幽默、有活力,时常买好吃的“贿赂”他们,但遇到与实验技术、科研训练有关的事,薛老师要求却近乎苛刻。

写报告,哪怕一个标点符号的错误,他都会挑出来;操作仪器,是按顺时针还是逆时针,他都要求学生从细微之处养成习惯。他常说,“练好‘童子功’,这样当科研机会来了,你才能抓住它。”

多年的科研经历令薛其坤深谙科学发现的“武林秘籍”。他叮咛学生们不要仅盯着今天发篇好文章、明天找个好工作,要真正把某个感兴趣的科学命题搞清楚,完成从科研执行者到指挥策划者的“蜕变”。

他的理性还体现在对年轻科学家的关照中。不论是领奖致辞,还是论坛演讲,他不止一次呼吁科学界,把更多的鼓励和荣誉让给年轻人,“他们是科研界的未来、科学界的希望”。

遇好事,薛其坤的习惯是“往后缩”,却把年轻人推到前方去。也正因如此,“他总能凝聚到顶级的合作力量,将团队中每个人的作用发挥到最佳。”朱邦芬院士这样评价他。

如今的薛其坤,依旧以“匠人”的身份,跻身于科研的第一线。

他的心中好像有一条停不下来的“跑道”:研究的起步阶段,得跟在巨人身后跑,然后你努力,逐步缩小差距;随着科研上渐有起色,再遇上一丝运气,也便有了同行较量的机会;比肩前行的时候,继续发力,而后超越对手;也只有砥砺前行,经历过酸痛,才能成为最终的领航者。

他也希冀,未来能有更多富有才华的年轻人接过“奔跑”的接力棒,在科学的旷野中发现更多迷人的风景。

注:原文来源于《新华每日电讯》,2016-10-10,作者张漫子

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