原標(biāo)題：薛其坤：探尋量子世界奧秘
5月30日，薛其坤（左）和他的學(xué)生在清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里工作。新華社記者 李文攝
人可以穿墻而過(guò)，旋轉(zhuǎn)可以永動(dòng)不停……聽(tīng)起來(lái)像是《聊齋志異》中才有的場(chǎng)景，然而在微觀(guān)世界里它卻真實(shí)存在。那是一個(gè)只屬于物理學(xué)家的世界，在那里有許多不可思議的現(xiàn)象——它是薛其坤的另一個(gè)世界。
在此，物理學(xué)家薛其坤已經(jīng)守望了30多年，有過(guò)許多的發(fā)現(xiàn)，其中最讓世人驚嘆的便是他于2012年10月從實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。
令人振奮的發(fā)現(xiàn)——量子反常霍爾效應(yīng)
在微觀(guān)世界里，在不需要強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下，電子可在各自的跑道上按規(guī)則有序地快速奔跑，這便是量子反常霍爾效應(yīng)。而薛其坤第一次在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到這一現(xiàn)象。
2013年3月15日《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，宣布由薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學(xué)物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，從實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，這意味著量子霍爾效應(yīng)物理領(lǐng)域一個(gè)期待已久的重要現(xiàn)象已經(jīng)被中國(guó)科學(xué)家率先觀(guān)測(cè)到。
“量子反常霍爾效應(yīng)”，這是一個(gè)大多數(shù)人聽(tīng)不懂的名詞。然而，它卻讓微觀(guān)世界的奇妙現(xiàn)象轉(zhuǎn)換到宏觀(guān)世界中成為可能。
在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可改變這一現(xiàn)象，“就好比一輛高級(jí)跑車(chē)，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)上前進(jìn)，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進(jìn)。”
遺憾的是，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，這一缺點(diǎn)阻礙了其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。量子反常霍爾效應(yīng)是一個(gè)全新的量子效應(yīng)，由于其不需要外加磁場(chǎng)，因此在應(yīng)用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)要方便得多，可以推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展。因此從理論研究和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，成為世界凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。
“你想想，在那個(gè)世界里，粒子怎么可以穿過(guò)勢(shì)壘，電子為什么可以圍繞原子核不停旋轉(zhuǎn)，這些奇妙的現(xiàn)象是偶然嗎？到底是什么原理呢？好奇么？”薛其坤說(shuō)這話(huà)的時(shí)候帶著他招牌式的笑容，語(yǔ)氣卻又帶著幾分孩子氣的探究。據(jù)說(shuō)他平時(shí)老用這招吸引學(xué)生在枯燥的實(shí)驗(yàn)和科研中堅(jiān)持下去。
一切不是偶然——機(jī)會(huì)屬于有準(zhǔn)備的人
2012年10月12日晚10點(diǎn)35分，薛其坤收到學(xué)生常翠祖的一條短信，“薛老師，量子反常霍爾效應(yīng)出來(lái)了，等待詳細(xì)測(cè)量。”這是薛其坤等待已久的消息，他和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為此努力了4年多。
時(shí)光追溯到2008年，薛其坤清楚地記得自己最初了解到拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果時(shí)激動(dòng)和興奮的心情。從此，“拓?fù)浣^緣體”走進(jìn)了薛其坤的視野，并一直伴隨著他的研究生涯。
那一年，華裔物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)的張首晟教授等理論物理學(xué)家提出了用磁性拓?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的方案，從理論上提出這一材料實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)可能性，但能否在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)它還是未知數(shù)。張首晟和薛其坤有深厚的友誼，他們?cè)诮涣髦姓J(rèn)識(shí)到，這是一個(gè)非常值得在中國(guó)進(jìn)行深入探究的領(lǐng)域。從那時(shí)起，他們就展開(kāi)了對(duì)拓?fù)浣^緣體中新奇量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。
機(jī)會(huì)從來(lái)都屬于有準(zhǔn)備的人。薛其坤在材料、半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究讓他成為從事這一研究的不二人選。材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述的是如何從一個(gè)個(gè)原子的反應(yīng)最后形成一個(gè)宏觀(guān)樣品的過(guò)程，只有掌握了材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，才能精確地控制材料的生長(zhǎng)。從1992年攻讀博士學(xué)位起，薛其坤就一直從事薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)研究，至今已經(jīng)累積了20余年的經(jīng)驗(yàn)，并已獲得兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。“你不知道，早在多年前，薛老師在材料科學(xué)領(lǐng)域就已經(jīng)是極富盛名的科學(xué)家，在日本科學(xué)界是響當(dāng)當(dāng)?shù)娜宋铩！毖ζ淅ぴ?jīng)的學(xué)生、現(xiàn)在的同事何珂告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗——協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)做出最好的科研
用拓?fù)浣^緣體制備出樣品，而后進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果做出相應(yīng)的調(diào)整是每天的工作。如何能提高效率，盡快地實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)？薛其坤想到了王亞愚。王亞愚是普林斯頓走出的著名物理學(xué)家，主要研究工作是運(yùn)用精密的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和掃描隧道顯微術(shù)等實(shí)驗(yàn)手段，探索凝聚態(tài)物質(zhì)中由于電子間的強(qiáng)相互作用而引起的非常規(guī)物理現(xiàn)象。簡(jiǎn)單地說(shuō)，薛其坤制備樣品、王亞愚來(lái)檢測(cè)。兩個(gè)方向不同的物理學(xué)家開(kāi)創(chuàng)性地組成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這樣緊密地結(jié)合在全世界也不多見(jiàn)，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的效率。這個(gè)團(tuán)隊(duì)以每天兩個(gè)樣品的速度高效地運(yùn)轉(zhuǎn)著，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的4年中，他們先后嘗試了1000多個(gè)拓?fù)浣^緣體樣品，最終他們獲得了成功。
當(dāng)年那個(gè)給他發(fā)短信的學(xué)生常翠祖如今已經(jīng)身在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT），在那里他從新的材料體系里也實(shí)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。他始終保持著與恩師最緊密的聯(lián)系。他說(shuō)從老師那里，得到的最重要的東西不是作為第一作者發(fā)表了引起重大影響的學(xué)術(shù)論文，而是知道了如何協(xié)調(diào)一個(gè)團(tuán)隊(duì)做出最好的科研成果。
“好人”，是學(xué)生對(duì)薛老師最樸實(shí)的評(píng)價(jià)。即便是在成為清華大學(xué)副校長(zhǎng)后異常忙碌的日子里，他始終保持著與學(xué)生們研討的習(xí)慣，“不管在哪里見(jiàn)到他，他都會(huì)先向你笑——那樣咧開(kāi)嘴，高興到心里的笑，感染著我們團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)人。”他的學(xué)生告訴記者。
幾乎所有與薛其坤認(rèn)識(shí)的人都愿意與他有更深入的合作。王亞愚說(shuō)：“只有薛老師才能匯聚起這么多人，能去做這項(xiàng)研究。”
做研究如看偵探小說(shuō)——一旦開(kāi)始就停不下來(lái)
薛其坤愛(ài)看偵探小說(shuō)，最?lèi)?ài)看破案的節(jié)目。“當(dāng)我看偵探小說(shuō)的時(shí)候，在謎底揭開(kāi)之前絕對(duì)不會(huì)把書(shū)放下。同樣，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象不能解釋?zhuān)乙欢ㄒ焯熳鰧?shí)驗(yàn)，不停地想啊，這個(gè)現(xiàn)象到底存在嗎，什么條件下存在呢，揭開(kāi)謎底的過(guò)程每一步都充滿(mǎn)著驚喜。”
“對(duì)沉迷于科研的人來(lái)說(shuō)，每一天都是那么快樂(lè)，以至于時(shí)間一不小心就溜走了。”薛其坤說(shuō)，“當(dāng)你的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比別人更準(zhǔn)確、更漂亮?xí)r，那種快樂(lè)，你能體會(huì)嗎？當(dāng)你把一個(gè)復(fù)雜的龐大的儀器用得像騎自行車(chē)一樣熟練時(shí)，那種自如，你能體會(huì)嗎？當(dāng)你的研究獲得突破性進(jìn)展時(shí)，那種驕傲，你能體會(huì)嗎？”薛其坤追問(wèn)記者。
所以，對(duì)薛其坤來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，不是終點(diǎn)，而是開(kāi)篇。薛其坤在科研的道路上從未停止。他告訴記者，現(xiàn)在的量子反常霍爾效應(yīng)是在接近零下273攝氏度中實(shí)現(xiàn)的，要想實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，就需要把溫度往上升。“若是能讓量子反常霍爾效應(yīng)在常溫下實(shí)現(xiàn)，那時(shí)全世界的物理學(xué)家都會(huì)欣喜萬(wàn)分。”薛其坤說(shuō)。
現(xiàn)在，離薛其坤團(tuán)隊(duì)第一次觀(guān)測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)已經(jīng)過(guò)去了兩年多，在這兩年多的時(shí)間里，不斷有好消息傳來(lái)：4所國(guó)外頂級(jí)名校已實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。同時(shí)，薛其坤和他的同事還在保持著每天兩個(gè)樣品的速度加緊研究和測(cè)試，并又觀(guān)察到一些有趣的新現(xiàn)象，比如發(fā)現(xiàn)零霍爾電導(dǎo)平臺(tái)。
“即便有再多事情，只要在北京，薛老師一定要到實(shí)驗(yàn)室來(lái)，因?yàn)樗覀円黄鹣胂罅硗庖粋�(gè)世界的事，哎呀，真是特別有趣。”何珂笑瞇瞇地對(duì)記者說(shuō)。
5月30日中午12點(diǎn)，薛其坤忙完上午工作，從實(shí)驗(yàn)室回理學(xué)院辦公室，經(jīng)過(guò)三樓時(shí)他照例稍停了一下，這里有一堵聞名全國(guó)的院士墻。上面是清華物理系畢業(yè)或工作過(guò)的八十多位院士圖片，葉企孫、吳有訓(xùn)、吳大猷、王大珩、周培源……每一位都有赫赫威名，薛其坤是其中的“小字輩”。薛其坤的手從他們的照片上一一撫過(guò)，中國(guó)物理學(xué)的昨天、今天和明天在這里延伸……（科技日?qǐng)?bào)北京5月30日電）
(來(lái)源:科技日?qǐng)?bào))