爱华网薛其坤与量子反常霍尔效应
薛其坤 |
□ 大众日报记者 逄春阶
四月的北京清华园,天朗气清,花绽卉绿,生机盎然。
记者来到静谧的理科楼四楼,拜访山东老乡薛其坤院士。薛先生中等个,偏瘦,面带微笑,目光炯炯。我握住他的手,第一感觉是,如果他再手捏一支粉笔,就很像上世纪八十年代我的一位高中物理老师。他语速很快,一口山东味的普通话,准确点说,是带有山东蒙阴口音的普通话。
薛先生非常谦和,平易近人。谈专业,谈治学,谈生活,对话轻松而愉快,自然率真,风趣幽默,但不乏严谨。一个多小时聆听,如沐春风。
陪我采访的中科院进化生物学博士杨志灵说,真正的科学家,不显山不露水,平凡淡定,让人敬佩。
49岁的薛其坤,是清华大学理学院院长、物理系主任、“低维量子物理”国家重点实验室主任。
“获奖这个事咱不谈”
记者(以下简称记):最近媒体关于您和您的团队在实验中发现量子反常霍尔效应的新闻特别多,其中诺奖得主杨振宁先生的评价引起强烈反响。他认为你们发表出来了诺贝尔奖级的物理学的论文,还说这是整个国家发展的一个大喜事。有人就猜测,这个发现很可能问鼎诺贝尔物理学奖。
薛其坤(以下简称薛):能否获奖这个事咱不谈。杨先生呢,他的评价,主要是看了这个工作的意义和做出来的难度,我们感谢杨先生对我们的肯定。这个工作才刚刚起步,后面要做的事情还有很多,我们要考虑的是如何进一步把工作做得更加深入。
记:多数人对量子反常霍尔效应不太明白。
薛:要理解量子反常霍尔效应,你得先理解量子霍尔效应,要理解量子霍尔效应,你得先理解霍尔效应。霍尔是美国科学家,他分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。此后,整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应也相继被发现。
霍尔效应,是一个在物理上非常重要的电磁现象。咱用一个形象的比喻,计算机芯片里电子的运动从微观上看是无规则的。当它们从晶体管的一个电极到达另一个电极的时候,就像人从农贸市场的一端到达另一端,运动过程中总是碰到很多无序的障碍,它要走弯路,走弯路就会造成发热,效率就不高,这是目前晶体管发热的重要原因之一。量子霍尔效应给电子定义了一个规则,其运动不像农贸市场的运动那么杂乱,而是像高速公路上的汽车一样,按照规则,有序进行。
记:好比是电子运动的“交通规则”。
薛:对。它使得电子只能沿着边缘的一维通道运动,并且只能做单向运动,不能返回,这相当于建立了电子运动的“高速公路”,使其告别了杂乱无章的运动。
记:我看到媒体报道,1980年,德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应,1982年,美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应,这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。
薛:与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖,是因为它揭示了微观世界的美妙,比如上面提到的电子高速公路。同时也是因为霍尔效应在应用中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应,比如汽车上广泛应用的霍尔器件就有:信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。
随着汽车的自动化程度越来越高,微电子电路越多,就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流,使机械式开关触点产生电弧,产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就可以减小这些现象。
节省能源的“效应”
记:请具体谈谈量子反常霍尔效应。
薛:量子霍尔效应可以被用来实现低能耗高速电子器件,推动信息和能源产业的发展,对未来实现固体拓扑量子计算和信息处理的革命有直接的推动意义。然而,实现量子霍尔效应,需要十万高斯左右的强磁场(地磁场仅为0.5高斯),要产生这样的磁场不但价格昂贵,而且其体积庞大(冰箱那么大),这使得量子霍尔效应很难得到应用。于是,科学家们一直在寻找不需要外加磁场的量子霍尔效应,即量子反常霍尔效应。
记:我还没弄明白普通霍尔效应和反常霍尔效应的区别。
薛:反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转,反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化(即材料本身具有磁性)而产生的。
记:量子反常霍尔效应应用价值在哪里?
薛:最大的应用就是,从原理上来讲,可以推动下一代集成电路的发展,现在的集成电路,包括咱的笔记本电脑,大型计算机等,它用来做无用功的发热占到了将近三分之一,而量子反常霍尔效应,可以让计算机中的晶体管不发热。这不但可以提高速度,还能节约能源。
记:电脑用长了就发热。
薛:一开机,它就开始发热,一点点热,积攒起来就感觉很热了。第二,如果让它不发热,从理论上讲,它的集成度就能进一步增加。现在的情况是,你再增加就增加不下去了,笔记本电脑会速度变慢,甚至热得不能工作。
所以,利用量子反常霍尔效应,可以解决微电子技术的一些瓶颈性问题。现在我们电脑的用电量,是照明用电量的三分之一啊,你可以想象,每天有多少电浪费在这上面。如果解决了这个问题,对能源的节省将会是非常大的。
当然,还有很多其他的应用,随着科研的进一步深入,会发展起一些新的技术,潜力巨大。
非以求名而名从之
杨志灵:你做的量子反常霍尔效应试验,美国、日本的科学家都在做,但是他们都没做出来,你和你的团队当时怎么选择这么难的课题?
薛:量子霍尔效应,在我们这个领域中,是探索的几个重要方向之一。起初,我们朝这个方向努力,并没有想到这么快就做出来或者是我们先做出来,这是探索中的一种意外的结果吧。因为我们知道,要实现这个效应难度很大。
但是,只要你做,就有可能。不断做,对相关领域的理解会变得深入。这是深入过程中的一个收获吧。打个比方,你要小麦增产,从800斤增长到1000斤,这仅仅是目标。通过加大密度也好,通过改良土壤也好,采取这样那样的措施,最后的结果,也许永远达不到1000斤,也许能达到1200斤。研究不断改进,朝这个方向努力,这个很重要。对一个重大难题的研究是循序渐进、不断深入的,在实践的过程中,对这个领域的知识,或对知识的理解会更加深入,这本身就是收获。
科学的探索就是这样,有些具体的目标,也有些朦胧的目标。关键是你要用科学的方法去做这个事情,确定一个比较合理的、理性的方案,按照科学研究的规律去做事情。
记:这让我想起《淮南子》中的话:“圣人为善,非以求名而名从之；名不与利期,而利归之”。
材料很重要,直觉更重要
记:你多次说过材料很重要。在讲座中反复强调:material!material!material!
薛:它是这样,要观察到量子反常霍尔效应,需要拓扑绝缘体材料绝缘。要做到这一点,以单晶硅为例,这要求在一百万个硅原子中只能有一个杂质,你可以想象,百万分之一的杂质啊,这是很难的。如果做不到这一点,你就测不到这个性质,所以说,材料很重要。
杨志灵:怎么才能达到这种纯度?
薛:我们用的方法,非专业人士很难理解。它是靠生长动力学控制的。
记:据说实验持续时间是4年。
薛:从时间跨度来讲,4年不是很长。但是,这个领域发展非常快,所以应该说是争分夺秒吧。我们的学生工作比较努力,我们的实验技术,我们运用的技巧,也是世界一流的。
记:你还说过,材料很重要,但直觉更重要。
薛:人天生的智慧很重要,潜在的生理上的素质对搞研究有重要影响。一个学者,经过长期的研究,知识的积累,经验的积累,到了一定的程度,就变成一种“数据库”。当你碰到一些新的现象,这些积累就会让你对正在研究的问题产生种感觉,这也许就是直觉。直觉本身是个很天性的东西,是吧?天生的智慧与积累的知识,这些东西共同作用,指导你去作判断,我觉得这也叫直觉,它对研究很重要。
7-11教授
记:媒体上说你是7-11教授?
薛:哈哈,7-11是便利店的名字,seven-eleven,这个是上世纪二十年代在美国发展起来的一种便利商店,早晨7点开门,晚上11点关门,商店上面就写着seven-eleven,我在日本留学的时候,我导师就是这样管理的,不管刮风下雨,你必须早晨7点前到实验室,一直到深夜离开。
后来,回到国内,也是这样,虽然不是7-11,但是工作时间差不多。
记:你怎么排解枯燥,你整天在实验室里……
薛:在实验室里其实很愉快。作实验是一个非常愉快的事情。比如你学自行车,刚开始学,没有成就感。等你学会了,骑自行车速度快了,就觉得很愉快。我们不断遇到新问题,不断地尝试新的问题,是探索未知,很有挑战性和新意。
记:作实验也是简单重复啊。
薛:不不不,它每一步都是变化的,都有意外,都有新的东西出现。不是简单的重复。
要把职业做到专业化
杨志灵:怎么协调工作和杂事的关系?比如写申请基金报告等等。
薛:写申请基金报告,本身是科研的一个正常部分,写一个基金报告要对这个领域的情况有个总体把握,对过去的整个研究情况要了解得很清楚,哪些地方存在着重要的问题,还没有解决的,这都要搞明白,马虎不得。说白了,这是一个很好的学习过程。
杨志灵:刚毕业的研究生有很重的科研压力,刚开始选题的时候,适合选什么样的题目比较好?
薛:从长远来讲,你肯定要选择生命力比较长的方向。但在好多情况下,你得先挣得第一桶金,还没站住脚,你就吆喝着去研究那些大问题,肯定不行。要根据情况,一步步,扎扎实实地朝前走。
年轻人一开始搞科研,不能过多地考虑多少年以后干什么,我觉得首先还是把基础打好。
记:你41岁就成为院士了。
薛:我很幸运吧。
不管怎样,要把职业做到专业化。比如一个炒菜的厨师,你炒的菜一定要炒地道,开汽车的,就要按照规则,认认真真开好,不出事。做科研,你就要按科学研究规律去做。
记:脑子里一直要想着那个事。
薛:对。三天打鱼两天晒网,那肯定不行。你想,做这个领域的成千上万的人,大家都很优秀,凭什么你会比别人做得好?你就得多做实验多学习啊。要做好一件事,你就一定要专心去做。
记:你一直强调团队的合作。
薛:一个复杂的实验,不是一个人就能完成的。我们团队合作非常愉快,很默契。四年当中,有几十个,上百个大大小小的困难啊,就是靠着团队精神一个个克服了。
记:你说过,科学是有传承的……
薛:就是一代一代积累,不断探索发现。看学生,要看你导师的导师的导师的水平,作为导师,教给学生的是不是最好的,或者是选的方向是不是最好的。有成就的科学家,都是一脉传承下来的,很少有一个平地而起的科学家。
记:最近有什么计划?
薛:与我们这个方向的研究相关的,还有很多有意思的事情要做。
一定要有健全的人格
记:发现你的讲座现场效果很好。
薛:我是个挺能讲笑话的人,很喜欢开玩笑,这跟性格有关系。
记:看来你的家庭环境是个很自由的环境。
薛:小时候没人管啊很自由。那时在农村的小学,农忙放假,作业很少,家长哪有功夫管你!那时候小学教育不是很正规。但是,传统的伦理道德,让我们不知不觉形成比较健全的人格。
记:我们现在的中学生教育,大家普遍提出质疑。
薛:现在的教育方式对小孩的限制太多了,但是已经成为一种潮流,你又不能逆潮流而动。我不知道如何能尽快扭转这个局面。
记:现在家长老说,不要让孩子输在起跑线上。
薛:好多事情是有惯性的,一旦形成,变成社会效应,不是一个人在短期内能改变的。这只能慢慢地改进吧。
记:比如复旦大学的学生投毒事件,个别大学生出现心理上的异常反应,是不是跟教育有关系。
薛:虽然是个案,也反映出一些问题。要处理好人与人之间的关系,老师和同学,同学和同学之间的关系,还是要有健全的人格。
记:你老家是沂蒙山区的蒙阴县?
薛:新泰朝东南走,就是蒙阴,蒙阴在蒙山的北面。从小在蒙阴长大,从蒙阴一中高中毕业,考入山东大学光学系,然后分到曲师大物理系,再考到中科院物理所,后来到日本东北大学金属材料研究所留学。
记:我看到你自己总结学术道路用了这样的话:两年考研失败,七年读研坎坷,八年留学苦乐,九年创业喜悦。
薛:这是讲座时概括的,是我的真实经历。
记:你家族中还有搞科研的吗?
薛:有两个堂兄弟,他们也是山东大学毕业的,现在在美国,都是在公司做科研的。
是梦想,更是责任
记:你很小就有当科学家的梦想吗?
薛:没有。那时候有种朦朦胧胧的感觉,感觉到科学家是一个非常崇高的事业,很神圣。随着研究生学习,到国外深造、工作,慢慢地也是自然地走上了这条路,
记:梦越来越清晰了。
薛:梦哪,是有的。
记:各行各业都在诠释中国梦的内涵,作为一个科学家,你对民族复兴的梦想有没有具体解读?
薛:从世界的科学发展情况来看,中华民族虽然有五千年的辉煌历史,我们在现代科学上的贡献与我们的民族不是很相称,尤其是原创性的研究。
我们这个年龄段的人,肩负着做科研和培养下一代的两重角色,所以一定要把这个事情做好,我们国家发展到今天,在科学的发展上也应该与世界经济第二大国地位相称,这是我们的梦想,更是我们的责任。
记:民族复兴,科技占领高地,光喊口号不行。
薛:经济效益比较大的产业往往是高技术产业,原创性的成果往往会造就领先的技术,这在国防方面更加突出。要实现强国梦,让我们国家长治久安,我们必须从最根本的地方,从源头上领先才行。科学研究,不能打折扣,光满腔热忱是不够的,要踏踏实实地干,没有捷径可走。
记者附记:告别薛院士,漫步惠风和畅的清华园。无论是步履匆匆的莘莘学子,还是白发满头的科学泰斗,他们都在默默做着自己的事情。一直做,则功不唐捐。不禁感叹,这里是上下求索,永不停滞的地方；这里是创造奇迹,见证奇迹的地方；这里是追寻梦想,实现梦想的地方。
编辑附记:两周前,就把这个采访任务交给了记者,记者在北京忙着学习,我一直没催稿。直到5月6日,记者发来短信说:“薛院士非常严谨,把深奥课题通俗化,采访中,我一遍一遍求教。薛院士非常耐心,写出初稿后,有些术语错了,薛院士作了认真订正,并嘱咐我,请再仔细点,我又反复听了两遍录音,最后交给薛院士审定。采访有难度,但是很愉快。”记者自言是科盲,但临时抱佛脚,虚心跟大学者学科学,下得是笨工夫。这是对读者负责任。
奇迹为什么出现在中国——记首次在实验上发现量子反常霍尔效应的中国科学家团队
2012年12月6日，所有的实验都做完了，6位实验团队的主要参与者，写下他们奋战4年的成果，第一次在实验室留影。资料照片
编者按
用科技托举中国梦，中国科学家团队用实干为我们树立了实现梦想的榜样。
一则深奥的科技新闻近来备受瞩目——中国科学家首次从实验上观测到量子反常霍尔效应。3月16日，本报率先对这一激动人心的重要成果给予充分报道：一版刊发题为《我科学家首次在实验上发现量子反常霍尔效应》消息，并在教科新闻版头条配发解读文章《或将引爆信息技术新革命》。昨日，本报在大视野版头条刊登《“这是一个诺奖级的发现”》一文，对科研过程进行深入报道。
我们的采访还在继续。因为，挖掘背后的故事，探究成功的经验，我们越发感到，中国科学家，他们是一群有理想，有韧劲，执著、奋进，甘于奉献的“追梦者”，实现中国梦，就需要这样的群体。
今天，请您与我们一起走近这群“追梦者”，一同找寻“奇迹为什么出现在中国”的答案。
全世界都在这个领域竞争，中国人先拔头筹。
“早在2008年，我们就预言了在有磁性掺杂后会出现量子反常霍尔效应。此后，谁能够在实验上证实它的存在，引起了一场世界范围的角逐。”斯坦福大学教授、清华大学“千人计划”教授张首晟谈及中国科学家的胜利，至今仍兴奋不已。
2013年3月15日，美国《科学》（Science）杂志在线刊发了清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队的最新成果——从实验上首次发现量子反常霍尔效应。
“这很可能引发信息技术的一次革命”，“中国科学家为国家争夺了一个战略制高点”。张首晟这样评价。
对中国科学家来说，这真是一个追逐梦想、缔造奇迹的过程。而当梦想变为现实，我们想要探究的是，为什么这个奇迹发生在中国？
一个坚韧不拔的火车头，一个志存高远的领航者
时间定格在2012年10月15日。
10000欧姆，20000欧姆，……25800欧姆！数据不停地跳动，终于停在了这个令人神往的地方——一个在物理学家眼中“最美妙的时刻”到来了。这一刻，中国科学界为之振奋，这一刻，也将载入世界物理学史册——在美国物理学家霍尔于1880年发现量子反常霍尔效应133年后，人类终于实现了其量子化。
这是四年，1460多个日日夜夜的浓缩。薛其坤与他的团队以每一个“7-11”向着目标冲刺。“这么多年，其坤只要在学校，每天总是7点准时到实验室，最早晚上11点离开。”清华大学物理系教授朱邦芬院士以形象的“7-11”为薛其坤冠名。
是什么支撑薛其坤和他的整个团队如此爱恋实验室？是对科学前沿的探求精神，还有实现梦想的坚定意志。
追寻量子反常霍尔效应的征程上，薛其坤把一股子勤奋研究的“拼命劲”发挥得淋漓尽致。朱邦芬曾这样感叹：“他有着远超出普通人的旺盛精力，我有一次和其坤出差，飞机到北京已经快晚上12点了，他还要到实验室去看学生在做什么，有没有新的发现。”
科学研究没有坦途。刚开始的时候，由于不熟悉材料性能，课题组遭遇了长达1年多的平台期，反常霍尔效应的数值始终在极低值徘徊。“还有希望吗？”许多博士生觉得干不下去了。“我们现在从事的实验工作是非常重要的，你们很可能发现到目前为止还从没有人看到过的东西。要是看到了，这一辈子都值了；要是看不到，你们也能从中历练、成长很多。”关键时刻，一场让课题组成员“浑身发热、干劲十足”的讲话振奋了士气，薛其坤当仁不让地扮演了领航者的角色。清华大学物理系教授王亚愚不无感慨地说：“团队领头人的作用至关重要，他们往往会在关键时刻起到不可替代的作用。”
对科学的坚持与激情，还有薛其坤深厚的学术积淀和对于学科前沿敏锐的洞察力，直接引导着整个团队的精神，让“乐观向上”成为他们的独特气质，也让“攻关却不急躁”成为四年间团队成员始终恪守的信条。
难有的平和气质，让实验中负责量子反常霍尔效应测量的王亚愚收到第一封拒稿信时选择了“淡然处之”，“第一反应会有些沮丧，因为别的小组进展都很快。但薛老师和我们都很清楚，科学研究从来都急不得，特别是面对这样一个艰深的科学难题，更要沉得住气，要有耐心。最终，2013年3月，我们连续在美国顶尖杂志《科学》上发表了两篇重量文章，最终国际同行还是高度认可了我们的研究工作。”
协同创新，一个年轻团队的激情迸发
“之所以能这么快取得成功，很大程度上源于我们拥有一个协同创新、配合默契的攻关团队，有两位非常突出的年轻学术带头人。”薛其坤说。
而这份默契，也经历过最初的磨合。
实验中，负责测量工作的王亚愚和负责样品生长工作的中科院物理所副研究员何珂刚一开始其实“并不合拍”。“我们两个研究组在思维、习惯和科研方式上都有很大不同。亚愚习惯在掌握一批样品后进行系统性测量，而对于我们来说，在超高真空的环境下每生长出一个样品需要一到两天的时间，我们希望生长一个马上进行详尽的测量。”回想起第一次合作时，王亚愚一下子要5个样品的“狮子大开口”，何珂笑言“确实有些吃不消”，“一开始的磨合很痛苦。但当双方都习惯了彼此的工作方式，能作出主动协调时，思维碰撞的火花越来越多了。”
“一个顶尖的团队需要各个领域的顶尖人才，但如何让他们发挥出11﹥2的效果，才是一个团队成功的关键。”王亚愚说。中科院物理所研究员戴希也非常感慨：“这项研究的参与者有三四十人，整个团队就像一条串联电路，我们这些‘电阻’，虽然个头有大有小，但每个人身上通过的电流都是一样的。拿走任何一个‘电阻’，电路都不会通。如果没有这么好的合作模式和流程，很难想象我们会做成这件事。”
这个攻关世界课题的中国科学家团队，平均年龄只有30多岁，先后有20多名研究生参与其中，“我们和学生在一起，并不完全是指导和被指导的关系，而更像是一种合作，在这个过程中我们共同成长。”王亚愚说，“导师可能有更多的经验，在技术方面、物理方面给学生指导，当实验碰到挫折时对未来的方向有更好的判断；可以发掘学生不同的特长，有的学生胆子大、有的心细、有的手巧，给他们最适合的工作；尽管我们有比学生更丰富的工作经验，但面对这么难、这么有挑战性、不确定性这么大的科学难题，对年轻导师也是第一次，是我们和学生在一起不断探索，加深理解。”
何珂说，材料制备与其说是科学，不如说是艺术。同样一个材料，换台机器、换个人就可能做不出来，极其考验人的实验技术水平与耐心。这次何珂也遇到了让他几近绝望的事。薛其坤院士要求他们制备厚度仅为5纳米的薄膜，同时还要往里掺杂磁性材料，薄膜必须非常平整，凹一纳米或凸一纳米都不行。
“有半年时间，我们一点进展都没有，似乎已经把能用的手段都用完了。”何珂回忆，后来一个学生偶然间把盖住薄膜的覆盖层拿了下来，竟发现数据信号大大增强了，可谓柳暗花明。
“这个覆盖层是将薄膜与大气隔离的，大家做实验都用这个。”这让何珂领悟到，思维没有盲区，做科学研究，不能迷信任何理论和经验，除了要持之以恒外，跳出思维惯式也至关重要。
好的科研环境，让科学研究自由生长
总结自己与团队的成功，薛其坤列出了三条：一、大家在各自领域的长期积累；二、协同创新，紧密合作；三、不急不躁，能坐得住“冷板凳”。
薛其坤同时对近年来的国内科研环境大加肯定，他说，经济社会发展，让国家越来越重视基础科学研究，连续多年对基础科学领域的投入都是大幅度增长。“相反美日等国却在不断缩减，这对我们搞基础研究的人来说，是一个很大的鼓舞。另一方面，国家的对外开放和人才政策使一批拥有海外学术背景的科学家回到祖国，他们亲身经历过西方学术界‘良好的科研氛围’，能把这些好的东西带回来，会让研究少走不少弯路。”
让王亚愚感到欣慰的是一个自由的科研空间，“国家和各方单位给了我们很大的自由度，为我们创造了宽松的科研环境。当初申请经费时我们并没有想做量子反常霍尔效应这个难题，可后来发现这非常值得做，也有希望做成时，不需要任何请示、汇报或重新填写计划，我们可以根据项目进度自主调整研究计划。这对任何国家的科学研究来说都非常重要，因为每一个新的发现，是不可能提前预料到的，往往会有一个灵光一现的过程。”
而在朱邦芬看来，这里有最勤奋的团队，和团结协作的气氛。何珂就曾开玩笑说，幸亏两个兄弟单位离得近，“我们生长出样品后，送到清华去测霍尔电阻，然后再拿回来改进，一天跑几个来回很正常。”这样的“折返跑”，3年里重复了无数次。据粗略估计，仅是制备掺杂磁性的拓扑绝缘体材料，他们就做了1000多次，若加上其他相关实验，数量还要多得多。
杨振宁先生把他们的这种“和谐”归结为中国文化的力量。他说，这与中国传统文化中强调“团队”有很大关系。“中国文化跟西方文化的主要分别就是团队在先，还是个人在先。在中国文化传统里常常认为团队在先，个人在后。强调个人有它的好处，可是中国的精神也有它的好处，你如果仔细想一想，为什么两弹一星能在那么穷苦的状态下做出来？为什么能作出人工胰岛素合成这样的诺贝尔奖级的贡献？”团队协同合作，或许就是最好的答案。
如今，这个源自中国科学家自己实验室里的伟大发现也获得了来自国际同行的高度评价——
实验结果公布后，薛其坤曾应邀去日本作学术报告。作为在世界上和中国科学家研究水平最相近的“老对手”，日本科学家给他发来了邮件，称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告，我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”，“这非常非常令人激动”。
另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件，“看到你们的结果，我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来，这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止”。
美国《科学》杂志的匿名评审则给出了这样的评价，“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”
半个多世纪以来，在半导体技术和信息技术上，中国基本跟在发达国家后面。“这个突破，不仅给整个科学界带来一次机会，也是中国一次非常难得的机会。”张首晟说，“我们完全可以跳跃式地走到前面，我们一定要抓住下一代信息技术革命的战略制高点！”
而就在记者截稿前，这个本该享受成功、短暂休息的深夜，薛其坤与他的团队成员还在实验室里坚守，因为，实现梦想的征途刚刚开始，“前面的路还长着呢……”
（光明日报北京2013年4月11日电 本报记者 丰 捷 齐 芳 邓 晖）
薛其坤院士解释量子反常霍尔效应据中国之声《新闻纵横》报道，昨天（4月10日），清华大学召开新闻发布会宣布，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应。该成果3月15日已经在《科学》杂志在线发表，杨振宁教授称这是诺贝尔物理奖级别的论文。杨振宁：我认为是从中国的实验室里头第一次做出来了，发表出来了诺贝尔奖级的物理学的论文，这个不只是清华大学科学院的喜事儿，我认为也是整个国家发展的一个大喜事。昨天，诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了这项重大发现。什么是量子反常霍尔效应？领衔这次研究团队的薛其坤院士解释：薛其坤：咱们用一个形象的比喻，计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的，从晶体管的电极一端到达另一端的时候，就像从农贸市场的一端到达另一端的时候，电子比喻成人的话，运动过程中老碰到很多无序的话它老是要走弯路，走弯路就会造成发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，不像农贸市场的运动非常杂乱了，就像高速公路的汽车一样，按照规则进行。薛其坤院士解释说，目前，普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用，因为它需要非常强的磁场，成本非常昂贵，比较困难。薛其坤：要实现这种量子霍尔效应所占的磁场，是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，一般来讲的话是和冰箱那么大，一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很难得到应用。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。连线中国科学院理论物理研究所研究员李淼：霍尔是一位美国物理学家的名字，霍尔效应，量子霍尔效应，量子反常霍尔效应，这三个概念之间有是什么样的关系？李淼：1879年美国物理学家霍尔发现一个效应，是在一个长方形的导体上发现的，当电流在长度方向流动的时候，如果在导体垂直方向发现一个磁场，就会在宽度方向产生一个新的电流和电压，这个就是霍尔效应。因为霍尔效应在运动和磁场都有感应，所以可以用来做器件，比如说可以来测量磁场，也可以测量运动事故，可以产生新的器件，比如像开关，汽车上面都有应用。那这个量子反常霍尔效应是什么概念呢？李淼：霍尔很快获得了诺贝尔物理学奖，霍尔效应在宽度方向那个电压或者导电是成整数倍的朝上翻的，像薛其坤解释的那样，这样的效应需要非常非常强的磁场。过了两年又发现了一个分数量子霍尔效应，分数量子霍尔效应不是整数的翻，而是分数倍的翻，这个霍尔效应也被诺贝尔奖授予了，崔琦教授参与了这一发现。80年代末有一个普林斯顿的物理学家说实际上不需要磁场，也没有量子霍尔效应，当然不需要磁场，叫反常霍尔效应。3、4年前，包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家，在理论上预言了一个叫做所谓的拓扑绝缘体，但是不管拓扑绝缘体是什么，它反正是个新的材料，这个发现以后很轰动，张首晟和其他人也获得了很多大奖，这这种材料挡在一种铁磁性的材料上面，用两种材料混合起来，就会发生反常量子霍尔效应，不需要磁场也有量子霍尔了。霍尔事件就是建立在霍尔效应基础上的事件，它本来就可以用在汽车上面，比如感应器、传感器。反常量子霍尔效应因为它不需要磁场，所以它可以把器件做的非常小，所以这样的话它可以用到我们日常生活的手机上、电脑上。如果今后把材料温度提高到在日常温度之下，有可能还会造出一种非常高速的电网，就是所谓的量子电网。是不是会大大的提高电脑运行速度？李淼：对，确实没有办法和现在比了，就是非常非常快的这种电网，根本就我们没有办法想象的。（原标题：中国科学家观测到量子反常霍尔效应诺贝尔级成果）“科研的快乐让我停不下来”
——记中国科学院院士薛其坤
2015年05月31日
薛其坤在实验室指导学生。经济日报记者 佘惠敏摄
采访薛其坤，是在5月末的清华园。绿树浓荫中，这位发现量子反常霍尔效应的著名物理学家，用他深入浅出的讲解，将记者带入玄奥的物理世界。
“如果把电子比做人，计算机芯片里的电子运动是无规律的，就像人行走在乱糟糟的农贸市场，总会走弯路、碰到人，就会发热，效率不高。而量子霍尔效应就是一条高速路，电子可以分车道分方向前进。但普通量子霍尔效应的产生需要强磁场，成本昂贵。”薛其坤说，“量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子元器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。”
2012年底，薛其坤率领的团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应，取得基础物理领域重大突破。此后的2年多时间里，日本东京大学、美国加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院和斯坦福大学等4所国际著名高校的研究团队，相继复现了这一实验结果，进一步证明了实验的可靠性。
薛其坤并没有因此停下探索的脚步。“科研是快乐的事，我们根本停不下来。”他说，“目前实现量子反常霍尔效应的温度是30mk（负273.12℃，仅比绝对零度高0.03℃），我们的目标是在高一些的液氦温区、液氮温区，甚至室温下实现量子反常霍尔效应，这样才可实际应用。”
沂蒙山少年的樱桃论
5月是樱桃上市季节，薛其坤就把他们的研究目标，比作山顶甜美的樱桃。
量子反常霍尔效应需要材料本身既具备磁性又是绝缘体。由于磁体通常为导体，这是一个自相矛盾的要求。内部是绝缘体、界面是导体的拓扑绝缘体这种量子物态新材料的出现，让这个矛盾的要求有了实现的可能。从2008年起，张守晟等理论物理学家提出了用磁性拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应的方案。
薛其坤说：“这是理论物理学家给我们画出的樱桃。山顶可能有樱桃，但到底有没有，不知道。”
山路险阻曲折，如何才能为一个并不确定的目标付出艰苦执着的努力？“我们可以朝这个方向努力，能达到目标更好，但在前往这个目标的过程中，本身就有很多收获。我们可能看到新的风景，也可能在半山发现桃树，摘到桃子。”薛其坤的答案十分豁达。
对于豁达而又努力的人，现实常常回报给他们惊喜。
清华大学的薛其坤、王亚愚和中科院的马旭村、吕力这4个各有所长的实验小组，花费了4年多时间，用“分子束外延”方法，做出了融合4种元素的高纯度单晶材料，最终取得了完美的实验结果。事后统计显示，实验团队总共做了超过1000次磁性掺杂的样品测量，在生长阶段就失败而没拿去测量的样品则根本无法计算。
这个实验需要极其精密的材料生长控制技术，做了20多年分子束生长的薛其坤提供了国际领先的技术储备：2002年初，薛其坤等人曾开创过一个融合分子束外延设备、扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱三种实验设备的联合系统，该系统的发展和熟练运用，对拓扑绝缘体材料的精密控制起到重要作用。
他们不但摘到了山顶的樱桃，也摘到了半山的桃子。薛其坤说：“在实验过程中，我们发现了掺磁拓扑绝缘体的一些特殊规律，可用于其性质调控。还观察到一些新的有趣现象，如零量子电阻平台，这是理论物理没有预见的地方。”
“摘到樱桃的一刹那最激动人心，但我们要享受爬山的每一个阶段。”事实上，1963年出生于山东省蒙阴县的薛其坤，本来就曾是一名沂蒙山区里长成的少年，爬山对他几乎是本能，而爬山所需的坚韧与豁达则是刻入他的基因。
他曾连续考研3年才考中。1984年在山东大学本科毕业后，他被分配到曲阜师范大学当助教，边工作边考研。回忆起当初的失利，他笑道：“我是山里出来的孩子，考不上不算打击。”
“7-11”院士的快乐观
35岁晋级教授，41岁成为中国科学院院士，50岁攻克量子世界难题。薛其坤的科研道路粗看平顺，细察却不乏挫折。
考入中科院物理所当研究生后，他的科研道路也并非坦途。1990年硕士毕业时，已经有了家庭和孩子的薛其坤选择了继续读博。
1992年，日本东北大[微博]学教授樱井利夫来中国访问，要从中科院挑选中日联合培养的博士生，薛其坤获得了去日本东北大学留学的机会。
这是薛其坤学术生涯的一个重要转折点，然而这个转折点却充满汗水和磨难。
樱井利夫的实验室被称为“7-11”实验室，学生每天早七点之前必须到实验室签到，晚十一点以后才能离开，中午无午休，仅有吃饭时间。
在被“7-11”魔鬼式作息制度折磨的同时，薛其坤还要忍受不懂日语的精神折磨。由于听不懂导师指令，他经常受到导师严厉指责。导致导师和同学们一起做实验时，他不敢碰仪器，只在一边怔怔地看。
不少去日本学习的同学受不了这样的煎熬，“逃”了回去。薛其坤却从刚上学的儿子电话里背给他听的课文里找到了力量：“我是中国人，我爱自己的祖国……”
他选择留下来，为中国人争口气。他每天第一个到实验室，最后一个离开。渐渐地，导师的话能听懂了，实验仪器也会操作了，凭借扎实功底和超常付出，他最终在世界顶级学术期刊上发表论文，顺利拿到博士学位。
1996年，薛其坤开始在国际物理界崭露头角。1999年，他入选中科院“百人计划”，回国工作。
回国十多年间，无论在中科院还是在清华，他都保持着“7-11”作息。清华大学物理系前系主任朱邦芬院士说：“我曾与其坤一起出差，晚上12点回到北京，他仍坚持要去实验室再看看。”
常年“7-11”，世人以为苦，薛其坤却以之为乐。“当发现一个物理现象跟平常不一样时，我会试图去解释它，就像读一本侦探小说，确定嫌疑人，推导出他到底怎么做的，根本停不下来，非得看完才能去睡觉。”薛其坤说，科学探秘，就像侦探解谜一样有趣，当你深入其中，就会获得巨大快乐。
“钱学森之问”的新期待
薛其坤是学术圈里公认的高情商科学家。他总是善于找到顶级的合作伙伴，也知人善任，让每一个人人尽其用。比如量子反常霍尔效应的科研团队中，马旭村、陈曦、王亚愚、何珂等年轻科学家都非常优秀，而且都最大程度地释放出了创造力。
“科学家不仅需要有智商，也需要有情商。现在的科学研究，尤其是科学实验，都需要团队作战。此外，情商高也有利于国际学术交流，有利于培养学生。”作为教授，薛其坤在培养学生时，除了严格要求他们的基本功，也十分重视情商的培养。
“要从本质上培养团队协作能力，你要学习和人打交道，你要在仪器上和很多人一起合作，要学会怎么做科学研究。”薛其坤经常如此教育学生，“未来，当你从执行者变成指挥者的时候，你会发现学会做这类高水平科研是更重要的，比发论文重要。”
常翠祖的经历印证了这一判断。他是薛其坤的一名博士，量子反常霍尔效应实验成功后，他博士毕业，去美国麻省理工学院（MIT）当博士后，帮助MIT的研究组重复了量子反常霍尔效应的实验结果，成为一名“准指挥者”。MIT的教授对常翠祖的工作非常满意，在薛其坤赴美开会时，特地请他吃饭，感谢他培养出了一流人才。
“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”这是钱学森在2005年曾提出的沉重问题。现任清华副校长的薛其坤，对这个问题持有乐观的态度，并寄厚望于现在的年轻学子。
“解答‘钱学森之问’的症结在于时间。科学来不得半点马虎，人才培养也要循序渐进，不能跃进。我这一辈人接受正规的系统科学训练已经很晚，需要比别人更加刻苦才能弥补这个差距。但现在的孩子们不一样，他们智力水平高，又从小受到了完整科学训练，我国这些年对科研的投入也远非从前可比，一流的实验室和科研团队会越来越多。”薛其坤认为，只要我们国家的发展势头保持下去，跟国外站在同一个起跑线上的新一代研究者，未来就将作出更大贡献。（经济日报记者佘惠敏）
“中国梦”的鲜活注脚
——薛其坤与他的量子世界
2015-05-31 光明网-《光明日报》
【创新路科学人】
沉浸于量子世界十余载，他既探索如何同量子世界交流，又保持同外界、学界的对话；他说，实验室生活与其说是刻苦，不如说是忘我；当中国科学院院士、清华大学副校长等光环笼罩着他，他更习惯学生叫他“薛老师”；他说，科学发现没有第二，需要争分夺秒，没有退路……
他是与时间赛跑的物理学家、量子反常霍尔效应的发现者薛其坤。
同时间赛跑享受“7－11”生活
2013年3月15日，《科学》杂志发表了一项震惊物理学界的成果——薛其坤领衔的团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应。
新闻发布会上，杨振宁的评价让人更加明白这项成果的分量。“这让我想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，她第一次告诉我在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天，薛其坤及其团队的实验成果，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。”
有人说，如果没有“同时间赛跑”的执着，就没有这项科研成果。
“真是拼。”清华大学物理系前主任朱邦芬院士如此感叹，“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年。”
“不管再晚再忙，只要不出差，薛老师总要到实验室看一看，和学生聊一聊，那种对科研的热爱和精力，真是让人惊叹。”进入“量子反常霍尔效应”实验团队两年，清华大学物理系博士生冯硝也被薛其坤的刻苦精神深深感染，“薛老师做到今天这种程度，还这么努力，我们更没有理由不努力。”
他常说，“7－11”的生活不是谁都可以。你若不能深入其中，这样的刻苦便是一种痛苦，最终会让人崩溃；你若进入了这个科学的世界，便能从中获得快乐，这样的坚持是一种享受。
用极致追求向世界科学“亮剑”
2012年10月的一个晚上，薛其坤收到学生短信，他们在实验中发现了量子反常霍尔效应的迹象。
薛其坤立即组织团队人员，设计实验方案，部署实验细节，马上实施检测实验。
接下来几天的实验中，团队成员用“诚惶诚恐”形容当时的心情。25800欧姆，所有人期待着这个标志性的数值。数据不停地跳动着，15800、20000、25800！数据停住了！
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130多年后，人类终于实现了其量子化。
量子反常霍尔效应的特征性行为顺利得到验证：材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻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。
结果揭晓当天，薛其坤带了两瓶香槟，与团队合影，留下这珍贵的回忆。这天，离2008年10月实验开始已整整4年。
对于量子霍尔效应，薛其坤打了个比方：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，无须在材料中加外磁场，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，拓扑绝缘体上实现量子反常霍尔效应由美国斯坦福大学华裔科学家张首晟等人在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。
薛其坤及其团队却勇敢担起使命。
开始，他们沿国际上技术路线进行尝试，总是失败。渐渐地，他们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……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，去除了体内电子对输运性质的影响；最终利用外加栅极电压实现了对其电子结构的原位精密调控。
如今，量子反常霍尔效应的发现，让薛其坤及其团队“亮剑”国际。在团队眼中，攀登新的科学巅峰时不我待。
心存高远追求小量子里的大“梦想”
薛其坤的科研人生经历本身就是“中国梦”的一个鲜活注脚。
薛其坤出生和成长于沂蒙山区。作为1978年恢复高考后第四批上大学的幸运儿，上世纪90年代出国深造后，他先后在日美留学和工作8年，在祖国需要的时候，满腔热忱回到中国。
凭借对科学的好奇心、对工作的热爱、对科研的责任心与担当，回国后的薛其坤钻进实验室，十几年如一日，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小时左右，年平均工作时间高达5000小时……
终于，不论在实验的复杂性、不确定性、实验精度要求和实验难度等方面，薛其坤及其团队都达到世界顶尖水平。
“不管是做科研、做教授，一定要做一个真正的科学家，必须要把功夫用到。科学就是科学，来不得半点马虎。”薛其坤说。2013年入选“万人计划”后，他依然以“7－11”节奏工作在一线。
“把科研工作一步一步做上去，把学生一个一个培养出来，唯有如此才能为实现中华民族伟大复兴的‘中国梦’贡献出自己的力量。”这就是这位科学追梦人如今最朴素的愿望。
（据新华社北京5月30日电记者张漫子、李峥巍）
