王亞愚：探索量子世界的“極客”

2013年3月15日，美國《科學》（Science）雜志在線刊發了清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的實驗團隊的最新成果，這是世界范圍內，從實驗上首次發現量子反常霍爾效應。匿名評審給出了這樣的評價，“這篇文章結束了對量子反常霍爾效應多年的探尋，這是一項里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓撲絕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

對于一般人來說，量子霍爾效應聽起來過于專業高深，但是作為凝聚態物理領域中一個重要的量子效應，量子霍爾效應可能離我們的生活并不遙遠，科學家們期待著它能在未來電子器件中發揮特殊的作用。

提到量子霍爾效應，這位留著一頭卷發的年輕人開始滔滔不絕。“比如說這就是一個一般的金屬材料或者半導體材料。”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，這不僅會引起整個電子器件的速度降低，而且會增大能耗并產生熱量。但如果我們能加一個非常強的磁場，這時候電子運動就變得有規律了，它們在材料的兩端，像高速公路上的汽車一樣，有規則地運動，這時候的電子運動不僅速度加快，相互之間也互不干擾，從而使能耗大大降低，這就是一個量子霍爾效應態。”

然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，不適合個人電腦和便攜式計算機。而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到電子器件中。

1879年，美國物理學家霍爾發現了霍爾效應和反常霍爾效應，在過去的30年間曾有兩次諾貝爾獎頒給了量子霍爾效應領域的物理學家。近年來，斯坦福大學的張首晟等理論物理學家預言在磁性摻雜的拓撲絕緣體中會出現量子反常霍爾效應，此后，在實驗中觀測到量子反常霍爾效應成為很多凝聚態物理學家夢寐以求的目標，并引起了一場世界范圍的角逐。在美國攻讀學位期間，王亞愚就在高溫超導的輸運研究方面做出過出色的工作。而進入清華大學物理系的第二個年頭，他就選擇加入薛其坤院士的團隊，開始了對量子反常霍爾效應的探索。

青年團隊攻克世界難題

科學研究沒有坦途，這是一場長達四年的征程。王亞愚在項目組主要負責反常霍爾效應的測量，作為一個三十幾歲的年輕人，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驗的瓶頸期。

“最開始的時候不要說量子化的反常霍爾效應，就連這些材料在離開超高真空的生長環境后，我們能否獲得可靠的輸運數據都沒有把握。”王亞愚說。由于這些材料的復雜性，課題組遭遇了長達1年多的平臺期，反常霍爾效應的數值也始終在極低值徘徊，這讓負責測量工作的王亞愚有些沮喪。但他明白，科學研究從來都急不得，特別是面對這樣一個艱深的科學難題，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驗室科研人員的刻板標簽——他既不木訥，也不會無趣。在他的實驗室里，學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人的卡通惡搞頭像，也會在工作中互相調侃鼓勵。

他幾乎每天都去實驗室與學生交流實驗結果，這個實驗室是王亞愚剛來清華后一手搭建的。在兩間高達3.9米的實驗室里，他和學生們一起挖好了實驗室里裝強磁場磁鐵的深坑，一起布置好實驗室里復雜的線路，一起組裝好一臺臺精密實驗儀器，一起對實驗設備作調試……不到兩年，一個極低溫強磁場實驗室和一個超高真空掃描隧道顯微鏡實驗室就建成了。王亞愚毫無保留地將自己所掌握的各種相關技術以及物理背景傳授給學生，與他們并肩探索科研難題。

“我們很幸運擁有一批國內頂尖的研究生。”王亞愚提起他的學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，實驗的很多關鍵步驟，都是學生們在具體的工作和相互的討論中摸索出來的。”

有的學生膽子大，有的心細，有的手巧，王亞愚就會盡量給他們最適合的工作，每隔一段時間，整個研究組會坐在一起進行深入的討論。這是一群極客思想碰撞的交流，大家一起分析實驗的所有細節，制定詳盡的下一步計劃。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共同的目標努力著。

就這樣，在薛其坤院士的帶領下，王亞愚和其團隊成員在過去的4年里共生長和測量了超過1000個樣品，在無數次的生長、測量、反饋、調整中，最終獲取了最理想的實驗結果。

許多人都會問，為什么這樣一項重要的發現會在中國獲得成功？也許事后太多的回溯會顯得有些牽強，但毫無疑問的是有兩個重要因素，一是優越的研究環境，二就是團隊中的人。

這個攻關世界課題的中國科學家團隊，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者，跟著這個領域里最頂尖的學者薛其坤院士。與學生們一起并肩作戰，這不完全是指導和被指導的關系，在這個過程中我們共同成長。”

探索之路永無止境

然而，榮譽只是暫時的，學術研究之路沒有止境。“我們下一步明確有兩個方向。首先，目前觀測到量子反常霍爾效應需要在極低溫的情況下，如果想要在電子器件里應用起來，我們需要在更高的溫度實現這一量子效應。其次，現在的材料包含了四種元素，這四種元素要經過精確的配比才能達到理想的實驗效果，從應用的角度來看過于復雜了，我們還希望能在盡可能簡單的材料里也找到這種效應。”王亞愚說，就像大型計算機變身為筆記本的過程一樣，要想每一個人都能享受到科學進步帶來的便捷，還有很長的路要走。

除了繁忙的實驗研究，王亞愚還開設了一門凝聚態物理課程，來聽課的不僅有清華的研究生、本科生，還有外校的學生。他從不忌憚觸碰這一紛繁蕪雜、尚存諸多“未解之謎”的領域，“我不在乎是否講得正確、嚴謹、系統，我唯一要做的是讓學生欣賞凝聚態物理的美妙之處，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生的建議，To be passionate， confident， bold and persistent（熱情、自信、無畏、堅持不懈），這是他對學生的期待，也是在科研探索中對自己的要求。