王亞愚：探索量子世界的“極客”

2013年3月15日，美國《科學(xué)》（Science）雜志在線刊發(fā)了清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，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)的最新成果，這是世界范圍內(nèi)，從實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。匿名評審給出了這樣的評價(jià)，“這篇文章結(jié)束了對量子反常霍爾效應(yīng)多年的探尋，這是一項(xiàng)里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓?fù)浣^緣體研究中作出的重大突破。”

提到這里，參與這一課題的清華大學(xué)物理系教授王亞愚還是會有些小興奮。

什么是量子反常霍爾效應(yīng)

對于一般人來說，量子霍爾效應(yīng)聽起來過于專業(yè)高深，但是作為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中一個(gè)重要的量子效應(yīng)，量子霍爾效應(yīng)可能離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，科學(xué)家們期待著它能在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用。

提到量子霍爾效應(yīng)，這位留著一頭卷發(fā)的年輕人開始滔滔不絕。“比如說這就是一個(gè)一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料。”王亞愚隨手拿起一本教科書形象地比劃起來，“里面電子的運(yùn)動是非常無序的，它們雜亂無章、互相碰撞，這不僅會引起整個(gè)電子器件的速度降低，而且會增大能耗并產(chǎn)生熱量。但如果我們能加一個(gè)非常強(qiáng)的磁場，這時(shí)候電子運(yùn)動就變得有規(guī)律了，它們在材料的兩端，像高速公路上的汽車一樣，有規(guī)則地運(yùn)動，這時(shí)候的電子運(yùn)動不僅速度加快，相互之間也互不干擾，從而使能耗大大降低，這就是一個(gè)量子霍爾效應(yīng)態(tài)。”

然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。而量子反常霍爾效應(yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到電子器件中。

1879年，美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)，在過去的30年間曾有兩次諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給了量子霍爾效應(yīng)領(lǐng)域的物理學(xué)家。近年來，斯坦福大學(xué)的張首晟等理論物理學(xué)家預(yù)言在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體中會出現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，此后，在實(shí)驗(yàn)中觀測到量子反常霍爾效應(yīng)成為很多凝聚態(tài)物理學(xué)家夢寐以求的目標(biāo)，并引起了一場世界范圍的角逐。在美國攻讀學(xué)位期間，王亞愚就在高溫超導(dǎo)的輸運(yùn)研究方面做出過出色的工作。而進(jìn)入清華大學(xué)物理系的第二個(gè)年頭，他就選擇加入薛其坤院士的團(tuán)隊(duì)，開始了對量子反常霍爾效應(yīng)的探索。

青年團(tuán)隊(duì)攻克世界難題

科學(xué)研究沒有坦途，這是一場長達(dá)四年的征程。王亞愚在項(xiàng)目組主要負(fù)責(zé)反常霍爾效應(yīng)的測量，作為一個(gè)三十幾歲的年輕人，能參與如此重大的研究課題他感到十分興奮，然而這種興奮很快就遭遇了實(shí)驗(yàn)的瓶頸期。

“最開始的時(shí)候不要說量子化的反常霍爾效應(yīng)，就連這些材料在離開超高真空的生長環(huán)境后，我們能否獲得可靠的輸運(yùn)數(shù)據(jù)都沒有把握。”王亞愚說。由于這些材料的復(fù)雜性，課題組遭遇了長達(dá)1年多的平臺期，反常霍爾效應(yīng)的數(shù)值也始終在極低值徘徊，這讓負(fù)責(zé)測量工作的王亞愚有些沮喪。但他明白，科學(xué)研究從來都急不得，特別是面對這樣一個(gè)艱深的科學(xué)難題，更要沉得住氣，要有耐心。

在王亞愚身上，看不出一絲我們對于實(shí)驗(yàn)室科研人員的刻板標(biāo)簽——他既不木訥，也不會無趣。在他的實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生能帶去各種生活用品甚至零食打造自己的小窩，會在記錄板中畫上每個(gè)人的卡通惡搞頭像，也會在工作中互相調(diào)侃鼓勵(lì)。

他幾乎每天都去實(shí)驗(yàn)室與學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是王亞愚剛來清華后一手搭建的。在兩間高達(dá)3.9米的實(shí)驗(yàn)室里，他和學(xué)生們一起挖好了實(shí)驗(yàn)室里裝強(qiáng)磁場磁鐵的深坑，一起布置好實(shí)驗(yàn)室里復(fù)雜的線路，一起組裝好一臺臺精密實(shí)驗(yàn)儀器，一起對實(shí)驗(yàn)設(shè)備作調(diào)試……不到兩年，一個(gè)極低溫強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)超高真空掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)室就建成了。王亞愚毫無保留地將自己所掌握的各種相關(guān)技術(shù)以及物理背景傳授給學(xué)生，與他們并肩探索科研難題。

“我們很幸運(yùn)擁有一批國內(nèi)頂尖的研究生。”王亞愚提起他的學(xué)生們總會露出不自覺的自豪感，“他們不僅工作勤奮，而且由于思維沒有受到束縛，實(shí)驗(yàn)的很多關(guān)鍵步驟，都是學(xué)生們在具體的工作和相互的討論中摸索出來的。”

有的學(xué)生膽子大，有的心細(xì)，有的手巧，王亞愚就會盡量給他們最適合的工作，每隔一段時(shí)間，整個(gè)研究組會坐在一起進(jìn)行深入的討論。這是一群極客思想碰撞的交流，大家一起分析實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，制定詳盡的下一步計(jì)劃。在不斷的磨合交流中，這些有不同專長、不同性格、不同思路的研究人員為了一個(gè)共同的目標(biāo)努力著。

就這樣，在薛其坤院士的帶領(lǐng)下，王亞愚和其團(tuán)隊(duì)成員在過去的4年里共生長和測量了超過1000個(gè)樣品，在無數(shù)次的生長、測量、反饋、調(diào)整中，最終獲取了最理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

許多人都會問，為什么這樣一項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)會在中國獲得成功？也許事后太多的回溯會顯得有些牽強(qiáng)，但毫無疑問的是有兩個(gè)重要因素，一是優(yōu)越的研究環(huán)境，二就是團(tuán)隊(duì)中的人。

這個(gè)攻關(guān)世界課題的中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，平均年齡只有30多歲，先后有20多名研究生參與其中。王亞愚說，“我們有一批志同道合的青年學(xué)者，跟著這個(gè)領(lǐng)域里最頂尖的學(xué)者薛其坤院士。與學(xué)生們一起并肩作戰(zhàn)，這不完全是指導(dǎo)和被指導(dǎo)的關(guān)系，在這個(gè)過程中我們共同成長。”

探索之路永無止境

然而，榮譽(yù)只是暫時(shí)的，學(xué)術(shù)研究之路沒有止境。“我們下一步明確有兩個(gè)方向。首先，目前觀測到量子反常霍爾效應(yīng)需要在極低溫的情況下，如果想要在電子器件里應(yīng)用起來，我們需要在更高的溫度實(shí)現(xiàn)這一量子效應(yīng)。其次，現(xiàn)在的材料包含了四種元素，這四種元素要經(jīng)過精確的配比才能達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，從應(yīng)用的角度來看過于復(fù)雜了，我們還希望能在盡可能簡單的材料里也找到這種效應(yīng)。”王亞愚說，就像大型計(jì)算機(jī)變身為筆記本的過程一樣，要想每一個(gè)人都能享受到科學(xué)進(jìn)步帶來的便捷，還有很長的路要走。

除了繁忙的實(shí)驗(yàn)研究，王亞愚還開設(shè)了一門凝聚態(tài)物理課程，來聽課的不僅有清華的研究生、本科生，還有外校的學(xué)生。他從不忌憚觸碰這一紛繁蕪雜、尚存諸多“未解之謎”的領(lǐng)域，“我不在乎是否講得正確、嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)，我唯一要做的是讓學(xué)生欣賞凝聚態(tài)物理的美妙之處，只要他們對所做的研究工作感興趣，通常能夠迸發(fā)出驚人的潛力。”王亞愚說。

在王亞愚課件的最后一頁寫著他給年輕學(xué)生的建議，To be passionate， confident， bold and persistent（熱情、自信、無畏、堅(jiān)持不懈），這是他對學(xué)生的期待，也是在科研探索中對自己的要求。