农村“笨小孩”站上国家最高领奖台,薛其坤决战“量子之巅”| 新黄河晚读

61岁!6月24日,国家最高科学技术奖迎来有史以来最年轻得主。
他就是发现量子反常霍尔效应的著名凝聚态物理学家、中国科学院院士、清华大学教授、南方科技大学校长、巴克利奖首位中国籍获得者——薛其坤。
薛其坤不是人们口中的天才。他3次考研方获成功,读博士花了7年,却在41岁成为中国科学院最年轻的院士之一,50岁攻克量子世界难题,如今又斩获中国科技界的崇高荣誉——2023年度国家最高科学技术奖。
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他几十年来,一直保持“7—11”(早7点到实验室晚11点离开)的工作状态。世人常说科研枯燥无聊,他却乐在其中,每每讲起专业总是两眼放光。有位老院士曾评价他,“吃苦耐劳,异于常人。”
他个子不高、乡音浓重、为人豪爽,无论是认识或不认识的人有事相求,他都会热心帮忙。有同事曾开玩笑,“如果放在古代,他就是个大侠。”但对待科研,他却追求极致,就连学生论文中的标点符号都不允许出错。
取得今天的成绩,薛其坤说,“1分是天赋,99分是努力。”
敢为人先 书写传奇人生
求学时的薛其坤的确普通。
第一次考研,他以高数39分惨淡收场;第二次考研,又因物理39分与中国科学院物理所失之交臂;直到1987年,屡败屡战的他才成功“上岸”。可即便读研期间,他也没有一套像样的数据能写一篇论文。后来,在导师推荐下,他获得了去日本东北大学学习的机会,但由于语言不通,他听不懂导师的要求,是实验室里“最不受待见”的学生,博士读了7年才毕业。
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接二连三的失败没有打翻这艘“从沂蒙山区驶出的小船”。薛其坤说,他是沂蒙山里长大的孩子,皮实,这点挫折就是小风小浪,不怕。
确实,如果没有这种皮实,恐怕不会有后来的逆袭,也不会有量子反常霍尔效应的发现。
什么是量子反常霍尔效应?在一个材料中,电子的运动一般来讲是高度无序的,电子和晶格、电子和杂质、电子和电子都能形成碰撞,产生电阻、发热,从而造成能量损耗。但此时,如果给薄膜样品外加一个强磁场,在强磁场作用下,电子的运动会像高速公路上的汽车一样,沿样品边缘分道行驶,互不干扰,这个非常有趣的量子效应就叫做量子霍尔效应。1979年,它由德国物理学家冯·克里青发现。
既然存在量子霍尔效应,那么是否存在量子反常霍尔效应——无需任何外加磁场,靠材料本身的性质就能让电子运动变得高度有序?
1988年,美国的霍尔丹教授在理论中提出一种“玩具模型”,可以实现无磁场的量子霍尔效应,此后近20年间有物理学家提出各种方案,但是实验上未取得任何实质性进展。
为什么?量子反常霍尔效应需要材料本身既具备磁性又是绝缘体,可由于磁体通常为导体,这是一个自相矛盾的要求。
转折的契机出现在2005年,那一年,理论物理学家查尔斯·凯恩、张首晟等成功预言了一类叫拓扑绝缘体的新材料。这种内部是绝缘体、表面却可以导电的神奇材料的“出现”,让这个矛盾的要求有了实现的可能。据此,2008年,张首晟等理论物理学家又提出了一个大胆的假设:在拓扑绝缘体中引入磁性有可能实现量子反常霍尔效应。
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“这是理论物理学家在山顶画出的樱桃,山顶有没有樱桃,没人知道。”尽管一切都是未知,在好奇心的驱使下,薛其坤还是带领团队向这座科学高峰发起了进攻。那时的他一直有个念头,“能不能像我们崇拜的科学家那样,做点更大的、从0到1的成果。”
向着梦想全力奔跑,2012年底,薛其坤团队用“分子束外延”方法,制备出了高质量的磁性拓扑绝缘体薄膜材料,最终看到了梦寐以求的实验现象。这是世界范围内,首次在实验上观测到量子反常霍尔效应!至此,量子霍尔效应家族最后一个神秘成员在实验上被发现。
在追求极致中享受幸福
“你要想让自己真正的快乐,你必须追求极致”,薛其坤说。
1996年,薛其坤被邀请在物理学规模最大的美国物理学会年会上做报告,然而对于英语口语非常烂的年轻人来说,这是一次机遇,更是一次挑战。为了保证万无一失,薛其坤将报告模拟练习了八十多遍,最终征服了在场的国外知名教授们。
1999年,入选中国科学院“百人计划”的薛其坤带着家人回到了祖国。回国后的薛其坤,已经完全像变了一个人。在接下来的20年间,他没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。
他说,除了科研,大学更重要的是对学生价值观的塑造,要尽一切可能,培养对社会有用的、正能量的人才。
薛其坤很自豪他的学生把他以前从事科研的快乐,从事科研的一些传统,传承到他们自己的学生身上。
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薛其坤要求学生要不顾一切追求极致。他有一位学生,要根据几年的科研成果,写一篇非常重要的论文。收到学生论文初稿时,薛其坤一看就晕了:
“这个学生英文写作水平,居然跟我的口语一样差!”他把论文发回给那位同学,让他认真地修订10遍,每修改一次,保存一次。
没想到,第二天他就收到了学生的回邮,发现有两个存储文件,保存间隔时间才1分钟,那可是七八页的论文啊!这下可把薛其坤给气坏了。
他马上把学生叫到办公室,从语法错误,到段与段间逻辑,甚至一个词一个词带着他改。
“回去之后,你继续改,第一遍查语法,第二遍查用词,第三遍查段落间的逻辑联系,第四遍看整个行文的思路…”让学生一遍遍修改的意义在于,告诉学生对待学术要严谨,对待学术要有一颗追求至极的心。
薛其坤收弟子至少满足两个条件:第一,对学术有兴趣;第二,与人和谐相处具有协作精神。薛其坤说,自己尤其强调与人相处这一点,他认为唯有学会与别人合作、具备团队精神,才能在科研团队中有所成就。因为,每一个科研项目都是整个团队整体协作的成果。
人的能力虽然有限
但努力可以无穷
在首次从实验中观测到“量子反常霍尔效应”之前,薛其坤与自己的团队,经历了四年的不断尝试与不断失败。薛其坤常常给团队打气说:“全世界都试图攻克这个难题,我们必须要抓紧时间!科学发现特别是重要发现,只有第一,没有第二,我们只有冲,没有退路!”
最终,薛其坤的团队成功了——比东京大学、麻省理工学院、维尔茨堡大学、普林斯顿大学、斯坦福大学的团队们,更早地发现了量子反常霍尔效应。
薛其坤说,“只要你勤奋、执着、专注,就不会在世上一事无成。”
其实,这个世界上,真正天赋异禀的人何其稀有。41岁的院士,就是常人眼中的“天才”。但薛其坤,不过是比任何人都能拼上性命的努力罢了。
才能这种东西,兴趣这种东西,一腔热血这种东西,本来就是要靠自己来挖掘、来创造的。
薛其坤常对学生说:
“人的能力虽然有限,但努力可以无穷”
。为了率先实现突破,薛其坤一星期工作六天,每天的科研都从早7点进行到晚11点,大家给薛其坤起了外号,叫“7-11教授”。
实验中所需的一种亮晶晶的小薄片,上面有一层肉眼看不见的薄膜,这是由原子一层一层铺上去的,只有五纳米厚,相当于一根头发丝的十万分之一。每制作一个,都极其困难。但从2008年开始,薛其坤和团队制作了上千个这样的材料进行实验。
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虽然非常辛苦,但乐在其中。薛其坤说,不断看到新的实验结果,艰苦努力解开一个个谜团,取得科研上的新进展,感到非常充实和幸福。要快乐地,但是又有责任地追逐梦想。
如今,在量子反常霍尔效应之后,薛其坤继续享受着攀登科学高峰带来的快乐。这次,他带领团队瞄准了两个难题:一个是在更高的温度下甚至室温下尝试观测到量子反常霍尔效应,让其走向实际应用;另一个是高温超导机理。
他充满期待地说:“如果我们把谜底揭开了,就有可能设计出高温超导材料,在室温下甚至更高温度下实现超导,这将是对全人类的重要贡献。”
有时候,“天才”和众生一起攀登,“天才”一步一个脚印地登顶、日夜兼程地奋进,可是在登顶后时回首,身后竟然没有一个人。这个时候,在山腰休息的人们会说,“那个人果然是天才,人比人真是不行啊。”
可是谁看到了,“天才”星夜兼程、不眠不休的辛苦呢?他仅仅是比任何人都努力,比任何人都渴望实现那个任何人都曾有过的朦朦胧胧的初心啊!
来源:经济日报、“CCTV朗读者”微信公众号、中国科协之声等