今日人物/薛其坤:追求小量子裡的大「夢想」

薛其坤。

閉上眼睛,想像一下這麼一個場景,人可以穿牆而過,粒子可以穿過勢壘,旋轉可以永動不停,這是一個只屬於物理學家的世界,是他們的精神家園。在這群人中,有一個人,他心存高遠,沉浸於量子世界十餘載,追求小量子裡的大『夢想』,他是與時間賽跑的物理學家、量子反常霍爾效應的發現者——薛其坤。

根據科普中國報導,薛其坤,出生和成長於沂蒙山區。35歲當教授,41歲就成為中國科學院最年輕的院士之一,50歲攻克量子世界難題。這樣的經歷似乎表明,薛其坤天生就對物理有敏銳的洞察力。但實際上,薛其坤的科研之路並不平坦。

1984年在山東大學本科畢業後,薛其坤被分配到曲阜師範大學當助教,邊工作邊考研,考了三次才考上中科院物理所。1992年,導師陸華把他送到日本東北大學金屬材料研究所學習。1996年,薛其坤開始在國際物理界嶄露頭角。1999年,他入選中科院『百人計劃』,在祖國需要的時候,滿腔熱忱地回到大陸工作。

2012年底,薛其坤率領的團隊首次在實驗中發現量子反常霍爾效應,這是大陸科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現象,也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。那個重要的時刻是在2012年10月12日晚10時35分,薛其坤從實驗室回家剛把車停好,就收到學生常翠祖的一條短信,『薛老師,量子反常霍爾效應出來了,等待詳細測量。』

這一刻,距離美國物理學家霍爾提出反常霍爾效應已經過去133年,而為此,薛其坤和他的團隊已經努力了4年多。

要觀察到量子反常霍爾效應,就需要拓撲絕緣體材料,這種材料要求既具備磁性又是絕緣體,要做到這一點,以單晶矽為例,這要求在一百萬個矽原子中只能有一個雜質,用薛其坤的話說,這可以說是一個『自相矛盾』的要求。

從2008年開始,薛其坤帶領他的團隊開始研究這個課題,這個團隊包括清華大學、中科院物理所等4個研究組,另外還有20多位研究生,分散在不同地方的實驗團隊成員,每天都透過電話和郵件交流實驗結果,隔兩三周就會充分討論實驗的所有細節。1500多個日日夜夜裡,他們進行了上千次的材料生成與測量對比實驗,爭取每一步都做到極致,最終取得了成功。

薛其坤認為,這次成功的關鍵首先是依靠學術上的判斷,因為在研究過程中,選擇的材料體系用什麼樣的方法去實現,是有很多不同選擇的。其次就是科學本身,在每一步的過程中,都有幾條路去選擇,但是經過仔細研究,在它的蛛絲馬跡中,他們找到了最好的途徑。最後就是研究團隊的學生,他們甚至比國外的研究生更加努力。『我們就是走過了一個從0到1的過程,後面可能就是1+1,1+2,那麼才有更多的區別。』

在清華大學,薛其坤有一個比『院士』還要響亮的名號——『7-11』教授。

在學生們眼裡,薛其坤樂觀、幽默、充滿活力,大部分時候都非常和藹,但對實驗技術與科研訓練,薛其坤對他們的要求到了近乎苛刻的地步。薛其坤要求學生們寫報告時,不要有一個標點符號的錯誤;操作儀器,無論是順時針還是逆時針,都要養成習慣,要做到閉著眼睛都能操作無誤。這種追求極致的科研態度讓學生們受益匪淺。

回國至今,薛其坤已經指導了12位博士後,其中有7位晉升為教授或研究員。培養了近50位博士,其中有兩人的論文入選全國優秀百篇博士論文,八人入選『青年千人計劃』、六人入選國家基金委優秀青年基金計劃、兩人入選中科院『百人計劃』。

從大山深處到攀上低維量子物理研究的最高峰,面對未來,這位科學追夢人仍然致力於研究文化和科研環境的建設,努力讓量子物理把世界變得更加美好。