薛其坤與他的量子世界

馬倩　汪婷婷

2013年3月15日，《科學》雜志發表了一項震驚物理學界的成果—薛其坤領銜的團隊在實驗中首次發現量子反常霍爾效應。

新聞發布會上，楊振寧的評價讓人更加明白這項成果的分量。“這讓我想起很多年前接到物理學家吳健雄的電話，她第一次告訴我在實驗室做出了宇稱不守恒的實驗，這個發現震驚了世界。今天，薛其坤及其團隊的實驗成果，不僅是科學界的喜事，也是整個國家的喜事。”

有人說，如果沒有“同時間賽跑”的執著，就沒有這項科研成果。

“真是拼。”清華大學物理系前主任朱邦芬院士如此感嘆，“早上7點進實驗室，晚上11點才離開，這樣的作息時間，薛其坤已經堅持了20年。”幾乎所有認識薛其坤的人都知道他“7-11”的生活軌跡。

薛其坤沉浸于量子世界十余載，他既探索如何同量子世界交流，又保持同外界、學界的對話。他說，實驗室生活與其說是刻苦，不如說是忘我。

當中國科學院院士、清華大學副校長等光環籠罩著他，他更習慣學生叫他“薛老師”。他說，科學發現沒有第二，需要爭分奪秒，沒有退路。

他常說，“7-11”的生活不是誰都可以。你若不能深入其中，這樣的刻苦便是一種痛苦，最終會讓人崩潰；你若進入了這個科學的世界，便能從中獲得快樂，這樣的堅持是一種享受。

2012年10月的一個晚上，薛其坤收到學生短信，他們在實驗中發現了量子反常霍爾效應的跡象。

薛其坤立即組織團隊人員，設計實驗方案，部署實驗細節，馬上實施檢測實驗。

接下來幾天的實驗中，團隊成員用“誠惶誠恐”形容當時的心情。25800歐姆，所有人期待著這個標志性的數值。數據不停地跳動著，15800、20000、25800！數據停住了！

世界量子物理學將記住這一刻—在美國物理學家霍爾于1880年發現反常霍爾效應130多年后，人類終于實現了其量子化。

量子反常霍爾效應的特征性行為順利得到驗證：材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻的數值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零。

結果揭曉當天，薛其坤帶了兩瓶香檳，與團隊合影，留下這珍貴的回憶。這天，離2008年10月實驗開始已整整4年。

對于量子霍爾效應，薛其坤打了個比方：普通狀態下的電子運動軌跡是無序的，時有碰撞。量子霍爾效應里的電子在外加磁場的情況下，運動在“高速公路”上，分道行駛。

而在量子反常霍爾效應中，無需在材料中加外磁場，即可實現電子的“分道行駛”。這解決了外加磁場在實際應用中“價格昂貴”“體積龐大”“不適于便攜式電子設備”這些難題。

薛其坤介紹，拓撲絕緣體上實現量子反常霍爾效應由美國斯坦福大學華裔科學家張首晟等人在2008年首次提出。然而實際中，能夠制出滿足實驗需求的拓撲絕緣體材料絕非易事。

薛其坤及其團隊卻勇敢地擔起使命。

開始，他們沿國際上技術路線進行嘗試，總是失敗。漸漸地，他們探索用不同元素和結構來生長材料。1000個樣品，一次次生長、測量，一次次不順利、調整，再生長，再測量……終于，一個個激動人心的成果接踵而至：

2010年，完成對1納米到6納米厚度薄膜生長和輸運測量；2011年，實現對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內電子對輸運性質的影響；最終利用外加柵極電壓實現了對其電子結構的原位精密調控。

如今，量子反常霍爾效應的發現，讓薛其坤及其團隊“亮劍”國際。在團隊眼中，攀登新的科學巔峰時不我待。

薛其坤出生和成長于沂蒙山區。作為1977年恢復高考后第四批上大學的幸運兒，上世紀90年代出國深造后，他先后在日、美留學和工作8年，在祖國需要的時候，滿腔熱忱回到中國。

憑借對科學的好奇心、對工作的熱愛、對科研的責任心與擔當，回國后的薛其坤鉆進實驗室，十幾年如一日，沒有休息過一個完整的假期和周末，每年平均工作時間在330天以上，每天工作時間在15小時左右，年平均工作時間高達5000小時……

終于，在實驗的復雜性、不確定性、實驗精度要求和實驗難度等方面，薛其坤及其團隊都達到世界頂尖水平。

在國家創新驅動發展的戰略下，薛其坤感到肩頭沉甸甸的責任。

在他看來，國家為越來越多的科學家提供了寬松的科研環境、更多的基礎投入，科研人員需要以更大的熱情、更忘我的精神再攀高峰。

“把科研工作一步一步做上去，把學生一個一個培養出來，唯有如此才能為實現中華民族偉大復興的‘中國夢貢獻出自己的力量。”這就是這位科學追夢人如今最樸素的愿望。

（本文轉自《瞭望》新聞周刊）