巴克利獎(jiǎng)首位中國(guó)得主薛其坤：不負(fù)時(shí)代做完美的自己

2024-01-08 08:55:33 來源：央視新聞客戶端

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原標(biāo)題：面對(duì)面丨不負(fù)時(shí)代做一個(gè)完美的自己專訪巴克利獎(jiǎng)首位中國(guó)得主薛其坤

薛其坤，中國(guó)科學(xué)院院士，南方科技大學(xué)校長(zhǎng)。不久前，他獲得國(guó)際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)，巴克利獎(jiǎng)，成為70年以來首位中國(guó)籍的獲獎(jiǎng)?wù)摺５且斫馑@獎(jiǎng)的原因，就需要面對(duì)諸如量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體等難以三言兩語(yǔ)解釋清楚的專業(yè)詞匯。

王寧：確確實(shí)實(shí)你所在的領(lǐng)域，對(duì)于普通的觀眾來說一定是有門檻，好多人不知道什么是拓?fù)浣^緣體，也不知道凝聚態(tài)物理。但是當(dāng)大家看到新聞標(biāo)題里，70年首位中國(guó)籍科學(xué)家這些關(guān)鍵詞的時(shí)候，就會(huì)特別受關(guān)注，你怎么看待這些關(guān)鍵詞？

薛其坤：作為一個(gè)最大的物理學(xué)的分支，因?yàn)槲覀兯芯窟@個(gè)方向，目前又代表著凝聚態(tài)物理最前沿的方向之一，說明我們國(guó)家的物理學(xué)工作者為世界物理學(xué)的發(fā)展作出一些貢獻(xiàn)，得到這種認(rèn)可，所以感到非常非常自豪。

凝聚態(tài)物理學(xué)通過研究構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子及分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律，認(rèn)識(shí)其物理性質(zhì)。作為一個(gè)學(xué)科，它源于固體物理學(xué)和低溫物理學(xué)的發(fā)展，由于引入了新的概念體系，它可以處理傳統(tǒng)固體物理遺留的許多疑難問題，也便于推廣應(yīng)用到比常規(guī)固體更加復(fù)雜的物質(zhì)。因此，在上世紀(jì)90年代，它逐漸取代固體物理學(xué)成為學(xué)科名稱。而量子霍爾效應(yīng)則是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān)。

王寧：我們使用的手機(jī)或者電腦，在使用過程當(dāng)中發(fā)熱的狀態(tài)是量子霍爾效應(yīng)的狀態(tài)，能這么理解嗎？

薛其坤：電子器件發(fā)熱的根本性問題，就是因?yàn)橛须娮瑁鼤?huì)產(chǎn)生熱，這個(gè)熱在器件中是不需要的，是浪費(fèi)掉的，所以量子反常霍爾效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)，給看不見、摸不著的電子建了一個(gè)高速公路。在這個(gè)高速公路上電子就像高速公路的汽車一樣，是分道行駛，有序行駛，在同一個(gè)道上還不能超越，不能碰撞。

王寧：而正因?yàn)樗鼈兌枷窀咚俟飞系能囈粯?，互相之間不發(fā)生任何碰撞，所以就沒有電阻？

薛其坤：所以它能耗就非常小，將來就有可能用上它，發(fā)展低能耗的電子學(xué)器件。

1879年，埃德溫·霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。應(yīng)用這一原理而發(fā)明的霍爾器件至今仍被廣泛應(yīng)用。當(dāng)這一效應(yīng)深入到微觀層面時(shí)，量子霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，電流只在系統(tǒng)的邊緣流動(dòng)，并且沒有電阻。這激發(fā)科學(xué)家進(jìn)一步探索，是否能找到不依賴于強(qiáng)磁場(chǎng)也能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)的材料？自1988年開始，不斷有理論物理學(xué)家針對(duì)這一問題提出各種方案，但這些方案沒能在實(shí)驗(yàn)上取得任何進(jìn)展。2009年，薛其坤團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)、中科院物理所、斯坦福大學(xué)的研究者合作，試圖驗(yàn)證其中一個(gè)預(yù)言：在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中可真正觀察到量子反?；魻栃?yīng)。于是，什么是拓?fù)浣^緣體，成了薛其坤這十多年里在各種場(chǎng)合都要面對(duì)的問題。

薛其坤：我們自然界中，如果把所有的材料、物質(zhì)做一個(gè)分類，只有兩類材料，一個(gè)是導(dǎo)電的，我們叫導(dǎo)體，一個(gè)是不導(dǎo)電的絕緣體。（磁性）拓?fù)浣^緣體，這個(gè)材料我用一個(gè)叫“三不像”的材料來表示，相當(dāng)于這個(gè)材料既有磁性，又有拓?fù)?，但體材料又必須要絕緣，絕緣、拓?fù)洹⒋判浴?/p>

王寧：這相互都是相互矛盾的，相互矛盾怎么放在一起？

薛其坤：就相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，你既要有姚明的高度，打籃球打得非常好，你還要像一個(gè)溜冰運(yùn)動(dòng)員一樣，非常靈活，你可能還要像一個(gè)排球運(yùn)動(dòng)員，你非常伶俐。

王寧：但用它來做實(shí)驗(yàn)，量子的反常霍爾效應(yīng)是一個(gè)什么樣的實(shí)驗(yàn)？

薛其坤：首先就要解決材料制備，特別是高質(zhì)量材料制備的問題。我們很幸運(yùn)的是，利用我們以前做半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，我們大約在半年左右就做到世界上材料在質(zhì)量的控制方面，達(dá)到了最好。

薛其坤所說的“幸運(yùn)”在于團(tuán)隊(duì)能夠高水平完成材料的制備，但幸運(yùn)的背后，是在原子的尺度上，制備出超過1000多個(gè)樣品，并始終嚴(yán)防“失之毫厘、謬以千里”的災(zāi)難發(fā)生。

王寧：要想做這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須要把這種材料生成？

薛其坤：對(duì)。

王寧：這種生成的過程。

薛其坤：是比較艱難的。

王寧：是一個(gè)什么樣的過程？

薛其坤：要把兩個(gè)矛盾的性質(zhì)，要控制在一個(gè)合適的點(diǎn)上。你要摻多了鐵，讓它成為有磁性的時(shí)候，它就會(huì)便于導(dǎo)電。你要不讓它導(dǎo)電，它磁性又顯示不出來，所以光這兩個(gè)矛盾的性質(zhì)，我們就花了很長(zhǎng)的時(shí)間。再加上拓?fù)涞男再|(zhì)，又和磁性摻雜，也是有矛盾的，我們就需要設(shè)計(jì)各種各樣的實(shí)驗(yàn)，從各種各樣的途徑上來解決一系列的問題。

王寧：你記得試過多少種材料嗎？

薛其坤：我們制備了1000多個(gè)樣品，制備一個(gè)樣品再完成它的測(cè)量大概要3到4天的時(shí)間，1000個(gè)樣品大家可以想象，我們一年下來基本上沒有休息的時(shí)間，我常常用一句比較有意思的話來表現(xiàn)我們同學(xué)們的努力，就是“我們的機(jī)器沒有停過”，“我們把機(jī)器都給累死了。”但是我們的學(xué)生輪流在儀器上做實(shí)驗(yàn)。

王寧：科學(xué)實(shí)驗(yàn)在很大程度上是為了印證我們的科學(xué)家非常前沿的猜想，而你做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)恰恰就是這樣。

薛其坤：可能讓我們感到有一點(diǎn)后怕，也許當(dāng)時(shí)我們認(rèn)為比較正確的理論，經(jīng)過我們10年、20年的探索也可能不是一件真事，我們?nèi)匀粖^斗了20多年，你說這樣的話就說我們這20年的努力就白費(fèi)了嗎？我們就完全做了無用功嗎？從現(xiàn)代的科學(xué)評(píng)價(jià)來講，你只有徹底從實(shí)驗(yàn)上證明這個(gè)理論不存在，就讓后來人不再朝這個(gè)方向努力了，這本身也是很重要的。

王寧：其實(shí)你也有過后怕的時(shí)候是嗎？

薛其坤：是的，優(yōu)秀的物理學(xué)家他有一種直覺，判斷這個(gè)方向是不是值得你去努力。這個(gè)直覺上我是有的，但是不排除有可能會(huì)出現(xiàn)意外的情況。

當(dāng)時(shí)，在三種具有拓?fù)浣^緣體性質(zhì)的化合物中，薛其坤團(tuán)隊(duì)對(duì)其中一種寄予厚望，但反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)這個(gè)材料不可能實(shí)現(xiàn)拓?fù)湫再|(zhì)的共融，這是團(tuán)隊(duì)遭遇的一次重大打擊。

王寧：你怎么調(diào)整的心態(tài)？

薛其坤：那就是鼓勵(lì)我們的學(xué)生，三種材料我們只試了一個(gè)，我們還有兩個(gè)材料，還有把這三種材料混合起來也可以做第四個(gè)候選。我也告訴同學(xué)們這證明了這個(gè)材料不行，這也是我們?nèi)〉玫囊粋€(gè)成就。

薛其坤的團(tuán)隊(duì)集結(jié)了這個(gè)領(lǐng)域最優(yōu)秀的年輕人，鼓勵(lì)他們的同時(shí)，他也從不吝惜自己的贊揚(yáng)。

王寧：在全世界做這方面的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，咱們的團(tuán)隊(duì)是排在什么樣的位置？

薛其坤：如果舉出世界上最好的五個(gè)團(tuán)隊(duì)的話，我們不是說最好的，起碼肯定是在最好的五個(gè)團(tuán)隊(duì)里頭。但是在這樣一個(gè)領(lǐng)域你必須要做到奧運(yùn)會(huì)的冠軍這種水平上，你才能把這個(gè)材料拿下。

王寧：這個(gè)材料的制備你指的就是要把這個(gè)材料合成出來？

薛其坤：對(duì)。第一個(gè)你要在原子尺度上控制材料的生長(zhǎng)厚度。不單在材料的形態(tài)上實(shí)現(xiàn)原子尺度上的控制，對(duì)它的組分也要實(shí)現(xiàn)非常精確地控制，這對(duì)我們來講都是非常非常有挑戰(zhàn)性的。一下子錯(cuò)過這樣一個(gè)最佳的組分和厚度，你就可能永遠(yuǎn)找不到了。我們最后制出來的量子反?；魻栃?yīng)薄膜的厚度的話，大約是頭發(fā)絲厚度的十萬分之一。

王寧：一個(gè)就等于是頭發(fā)絲的十萬分之一，如果排列組合的話，這得是多少，多長(zhǎng)的一條道路？

薛其坤：是的。組分是一個(gè)參數(shù)，生長(zhǎng)的溫度是一個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)你選十個(gè)溫度點(diǎn)，選十個(gè)組分，十乘十就是一百個(gè)實(shí)驗(yàn)。如果你有三個(gè)參數(shù)，一個(gè)參數(shù)是10個(gè)不同的參數(shù)的話，這就是10×10是100，再乘10等于1000，就是1000個(gè)樣品要做，1000個(gè)樣品基本上學(xué)生就不肯干了。3000天，10年的時(shí)間，還不知道最后找不找得到，當(dāng)然了這就是我們作為物理學(xué)家、優(yōu)秀的科研工作者必須具有的素質(zhì)，就是不斷要根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果要進(jìn)行最有效的判斷，找最捷徑的路。

關(guān)于薛其坤，有一個(gè)稱呼一直在校園和網(wǎng)絡(luò)上流傳，那就是“711先生”。他在1992年前往日本東北大學(xué)金屬研究所學(xué)習(xí)，研究所的導(dǎo)師奉行“711”作息制度，意為每天早上7點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)室，中午1個(gè)小時(shí)吃午飯，晚上11點(diǎn)才能離開。很多一同前往的同學(xué)因?yàn)槭懿涣诉@樣的魔鬼作息選擇離開，而薛其坤卻樂在其中，堅(jiān)持了7年。他形容自己是一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船，核心能力之一正是艱苦中養(yǎng)成的堅(jiān)強(qiáng)。

王寧：這艘小船現(xiàn)在駛向了什么樣的方向？是你當(dāng)初認(rèn)定的方向嗎？

薛其坤：如果現(xiàn)在要做這么一個(gè)回顧的話，小船駛到現(xiàn)在這種狀態(tài)，完全出乎我自己的意料。趕上了高考，又能上到大學(xué)，還能回到北京，最后能出國(guó)，我每想到這個(gè)階段，我都覺得我很幸運(yùn)，我很珍惜，那種很貧困的生活養(yǎng)成了非常堅(jiān)強(qiáng)的性格。大家都知道沂蒙山區(qū)是非常貧窮的一個(gè)地方，小時(shí)候非常艱苦的生活，我們吃地瓜、煎餅，有時(shí)候還都吃霉變的那些地瓜做的煎餅，吃點(diǎn)咸菜。所以碰到任何困難的時(shí)候我都會(huì)用積極的心態(tài)，不怕困難、不服輸?shù)倪@種態(tài)度去面對(duì)這些困難和挑戰(zhàn)，只要我認(rèn)定了這事情，很難很難讓我放棄。

王寧：而即使有了這些底氣，你還得需要“711”上班和工作時(shí)間。我跟你再核實(shí)一下，準(zhǔn)確嗎？

薛其坤：準(zhǔn)確，這是我在日本七年是嚴(yán)格按照這個(gè)工作時(shí)間走過來的歷程。回國(guó)以后，我不一定是按照“711”這么一個(gè)時(shí)間表去工作，但是我還是非常非常勤奮的，幾乎沒有什么假期，一個(gè)星期大部分情況下都是干七天。

王寧：有沒有你睡不著覺的時(shí)候？

薛其坤：有啊。所以我們作為科學(xué)家來講，這種不睡覺有兩種因素，有一種是不順利，搞得你很苦惱睡不好覺；另一種得到了非常好的結(jié)果，讓你很興奮，也會(huì)讓你睡不著覺。

從2008年開始，四年時(shí)間，薛其坤和團(tuán)隊(duì)以超常的耐心和精細(xì)度，重復(fù)著從制備材料到測(cè)量的過程。日復(fù)一日，他們終于抓住了量子反?；魻栃?yīng)這條狐貍的尾巴。

王寧：那一天你在做什么？

薛其坤：那天好像也不是很順利，我還記得情緒不是特別高。晚上10點(diǎn)35的時(shí)候我的手機(jī)短信鈴響了，結(jié)果看到了我的學(xué)生，當(dāng)時(shí)主打?qū)嶒?yàn)的常翠祖的一個(gè)短信，他說薛老師量子反?；魻栃?yīng)出來了。當(dāng)我看到這個(gè)的時(shí)候，我是不太相信自己的眼睛，我立即就給他打了一個(gè)電話，他說有兩個(gè)數(shù)據(jù)支撐，我們抓住了最重要的東西，歐姆電阻下降，就說明跡象有了。

王寧：有點(diǎn)絕處逢生的感覺。

薛其坤：哎，對(duì)了，所以那天有點(diǎn)像你講的，要絕處逢生，好像有點(diǎn)柳暗花明，真是又一村來了。量子反?；魻栃?yīng)還有好多的實(shí)驗(yàn)要做，不但讓歐姆電阻幾乎降到零，完全是零。

王寧：你一直在說，歐姆電阻要變成零，我就利用我特別僅有的物理學(xué)知識(shí)，這怎么可能呢？

薛其坤：超導(dǎo)就是電阻等于零的這種導(dǎo)體。我們?cè)谶@個(gè)材料中，實(shí)現(xiàn)了霍爾電阻的量子化，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)零電阻，就是變成超導(dǎo)，所以這就是很神奇。電阻要幾乎等于零，這個(gè)材料就不會(huì)發(fā)熱，不會(huì)發(fā)熱不就可以做電子器件，低能耗電子器件，我們靠的就是歐姆電阻幾乎等于零，而去發(fā)展未來的電子器件，降低它的能耗。

2012年12月16日，兩個(gè)多月之后，薛其坤和團(tuán)隊(duì)利用分子束外延方法生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的磁性拓?fù)浣^緣體薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測(cè)量裝置上成功地觀測(cè)到了“量子反?；魻栃?yīng)”。

王寧：真正看到整個(gè)狐貍的全貌是在哪一刻？你還有印象嗎？

薛其坤：到了2012年12月16日左右，全部實(shí)驗(yàn)完成了。我還記得很清楚，那天咱們帶了一瓶我事先從免稅店買的香檳，我們一起拍了個(gè)照片，一起喝了香檳酒，慶祝。當(dāng)時(shí)我有一種預(yù)感，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)也許是第一次，也可能最后一次能有幸運(yùn)發(fā)現(xiàn)，所以我就和同學(xué)們講，今天對(duì)我們這個(gè)組來講歷史上將會(huì)是一個(gè)什么樣的，但是今天值得我們慶賀，記住這一天。

首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)的論文發(fā)表在國(guó)際期刊《科學(xué)》雜志上，被審稿人稱為“凝聚態(tài)物理界一項(xiàng)里程碑式的工作”。2013年4月10日，“量子反?；魻栃?yīng)成果發(fā)布會(huì)”在清華大學(xué)舉行，著名諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)家楊振寧激動(dòng)不已，“這是從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里，第一次發(fā)表出了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文！”

最近的十年里，薛其坤和他的團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了一種全新的更容易制備的材料，而且一直在致力于提高量子反?；魻栃?yīng)的溫度。另外，他同時(shí)在對(duì)高溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行探索，這也是物理界另一個(gè)非常重要的前沿研究方向?，F(xiàn)在，薛其坤又多了一個(gè)身份，那就是南方科技大學(xué)的第三任校長(zhǎng)。

王寧：我們看到你是大學(xué)的管理者，你需要能夠把南方科技大學(xué)往更高尖端的一個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)軍者上去培養(yǎng)，但是你自己又帶著兩個(gè)非常重大的國(guó)家課題在做，也得做實(shí)驗(yàn)做研究。這兩者需要平衡嗎？

薛其坤：其實(shí)這兩個(gè)都是非常重要的任務(wù)，所以我是通過培養(yǎng)優(yōu)秀的年輕學(xué)術(shù)帶頭人，平衡好我做大學(xué)校長(zhǎng)的管理和我自己研究團(tuán)隊(duì)科學(xué)研究這個(gè)關(guān)系的。在這個(gè)方面實(shí)際上我做了很多思考、探索和努力。

王寧：怎么樣他們才能成為你眼中的青年學(xué)科帶頭人呢？具備什么素質(zhì)？