科技日報記者 付毅飛
2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎6月24日在京揭曉，李德仁院士、薛其坤院士獲得中國科技界崇高榮譽。
薛其坤，中國科學(xué)院院士，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域著名科學(xué)家?，F(xiàn)為清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長。
進入信息時代，芯片儼然成為處理信息的“大腦”。在指甲蓋大小的芯片里封裝數(shù)10億個晶體管，堪稱人類最復(fù)雜的壯舉之一?？墒?，當(dāng)數(shù)據(jù)量指數(shù)性爆發(fā)，僅憑集成更多晶體管不再“一招鮮”，元器件的發(fā)熱問題，成為限制算力提升的瓶頸。而量子反?；魻栃?yīng)，則提供了實現(xiàn)超高性能電子器件的可能性。
“在超海量數(shù)據(jù)時代，對信息的存儲和處理將會有極高要求，需要一種完全創(chuàng)新的計算機，實現(xiàn)類似于超導(dǎo)、電阻等于零的無能耗輸運現(xiàn)象?！蹦蹜B(tài)物理學(xué)家、清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士薛其坤說。
在材料中，電子的運動是高度無序的，電子和晶格振動、電子和雜質(zhì)、電子和電子會不斷碰撞，產(chǎn)生電阻、發(fā)熱等效果。如果給薄膜材料外加一個強磁場，電子有可能立即“規(guī)矩”起來，沿著邊界不受阻礙地運動，這種有趣的現(xiàn)象叫做量子霍爾效應(yīng)。假如能找到一種特殊材料，既有自發(fā)磁化，電子態(tài)又具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則有可能在不外加磁場的情況下產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)，這就是量子反?；魻栃?yīng)。
多年來，量子反?；魻栃?yīng)如同一道傳說中的“咒語”，讓各國物理學(xué)家魂牽夢繞，卻沒人能證明它真實存在。
經(jīng)過數(shù)年探索，薛其坤團隊通過分子束外延的辦法，制備出世界上首個具有鐵磁性、絕緣以及有拓?fù)涮匦缘男缕嫖锢硇再|(zhì)材料的薄膜，首次在實驗室破解了這道“咒語”。
進入“沒有賽道的競技場”
1980年代，國際量子材料和物態(tài)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究迎來爆發(fā)式發(fā)展，整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等多項發(fā)現(xiàn)，開啟了拓?fù)淞孔游飸B(tài)這一新研究領(lǐng)域，并為發(fā)展低能耗電子器件指明了新的可能。
不過，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的外加磁場，這對其研究和應(yīng)用都帶來了極大困難。試想一下，如果運行一枚具有量子霍爾效應(yīng)的芯片，需要配備一臺冰箱大小的強磁場發(fā)生器，誰能接受？
2016年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者霍爾丹（F. D. M. Haldane）于1988年提出，有可能存在不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)體系，但他的假設(shè)離實際材料體系相距甚遠。在此后20多年里，在真實材料中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的重大科學(xué)目標(biāo)之一。
2005年拓?fù)浣^緣體概念被提出，科學(xué)家認(rèn)為，在拓?fù)浣^緣體薄膜中引入鐵磁性，理論上有可能實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。但要在實驗中實現(xiàn)卻極為困難，因為反常霍爾效應(yīng)的量子化，需要材料的性質(zhì)同時滿足三項非?？量痰臈l件：一是材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦?，從而具有?dǎo)電的一維邊緣態(tài)，即一維導(dǎo)電通道；二是材料內(nèi)必須具有長程鐵磁序，從而無需借助外磁場而存在反?；魻栃?yīng)；三是材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，對導(dǎo)電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實驗中，想實現(xiàn)以上任何一點都很難，即使在理論上，這三個條件能不能同時滿足，也存在很大不確定性。因此，有人將這項全球?qū)嶒炍锢韺W(xué)家面對的巨大挑戰(zhàn)，形容為“沒有賽道的競技場”。
從2008年起，薛其坤團隊利用分子束外延生長—低溫強磁場掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜相結(jié)合的獨特技術(shù)手段，開始開展對拓?fù)浣^緣體的研究。他們首次建立了Bi2Te3家族拓?fù)浣^緣體的分子束外延生長動力學(xué)，發(fā)展出嚴(yán)格控制材料組分的三溫度法，生長出國際上質(zhì)量最高的拓?fù)浣^緣體樣品，該方法后來成為國際上通用的拓?fù)浣^緣體樣品制備方法。
隨后，他們首次利用角分辨光電子能譜，繪制出三維拓?fù)浣^緣體在二維極限下的電子能帶結(jié)構(gòu)演化，該項成果為基于拓?fù)浣^緣體薄膜的大量后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)；他們利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡技術(shù)，揭示出拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo性和朗道量子化等獨特性質(zhì)，在國際上產(chǎn)生了很大的學(xué)術(shù)影響。這一系列努力與成果，使我國在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域研究中躋身國際領(lǐng)先行列。
有此基礎(chǔ)，薛其坤將目光投向了量子反?；魻栃?yīng)?！皩τ诳茖W(xué)家來講，這是一個非常奇妙的物理現(xiàn)象，我們很希望把這個謎揭開，看看它到底是不是存在。同時，在國家支持下，我們的相關(guān)實驗技術(shù)也達到了這個水平。”他說，“正是天時地利人和?！?/p>
從2009年開始，薛其坤帶領(lǐng)量子反?；魻栃?yīng)實驗團隊，進入了“沒有賽道的競技場”。
至今保存著那條短信
“當(dāng)年薛老師找到我和幾位老師，說國際上有理論預(yù)言，可以在磁性拓?fù)浣^緣體中去尋找量子反?；魻栃?yīng)，并邀請我們集體攻關(guān)來發(fā)現(xiàn)這個效應(yīng)。”清華大學(xué)物理系教授王亞愚回憶，自己當(dāng)時立即被吸引了。
2009年，薛其坤團隊與來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理所、美國斯坦福大學(xué)的合作者們，基于所獲得的高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜，開始對量子反?；魻栃?yīng)進行實驗攻關(guān)。
攻關(guān)過程極為艱辛，面臨學(xué)術(shù)、技術(shù)以及路線等眾多復(fù)雜的問題。薛其坤介紹，制備厚度約5納米的薄膜并不難，難的是要在原子尺度上控制摻雜的元素，更難的是要在電子層次上把結(jié)構(gòu)、材料和物理性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)理解清楚，為下一個實驗尋找方向。
在不斷摸索中，研究團隊制備出組分、厚度均精確可控的三元拓?fù)浣^緣體薄膜，實現(xiàn)通過薄膜化學(xué)組分比例和電場效應(yīng)，調(diào)控拓?fù)浔砻鎽B(tài)的能帶結(jié)構(gòu)和薄膜的載流子類型與濃度。他們通過在該薄膜中摻雜磁性Cr（鉻）原子，在其中建立了鐵磁序，以及垂直于薄膜面的易磁化軸。據(jù)統(tǒng)計，他們共制備了1000多個樣品，最終獲得的材料可以兼具鐵磁性、體絕緣性和拓?fù)湫?，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想材料系統(tǒng)。“每個樣品從生長到測量，至少需要三四天時間?！毖ζ淅ふf，“大家把能力發(fā)揮到了極致，他們付出的努力令人驚訝?！?/p>
2012年初，工作陷入瓶頸?！八行枰臈l件我們似乎都已經(jīng)實現(xiàn)了，但是得到的結(jié)果離最終的成功還很遙遠?！眻F隊成員、清華大學(xué)物理系教授何珂回憶說，“當(dāng)時大家都有一些絕望的情緒，不知道下一步該怎么辦好?！?/p>
薛其坤并不認(rèn)為這是失敗?！霸趯嶒炆?，如果我們達不到目標(biāo)，首先證明我們的學(xué)術(shù)判斷不一定正確，這是一個提高學(xué)術(shù)能力的機會。在探索中如果遇到失敗，說明此路不通，把迷宮中不通的路找出來也是貢獻?！彼f。
在他的鼓勵和開導(dǎo)下，大家決定轉(zhuǎn)變思路，做“減法”，重新靜下心，逐一排除樣品中可能存在的各種問題。
薛其坤的手機里，至今保留著一條2012年10月12日收到的短信。
那是一個周五。當(dāng)晚值班的項目組成員常翠祖，看到了量子反常霍爾效應(yīng)初步跡象，他迅速給薛其坤發(fā)了短信?！澳翘煳一丶以缫稽c，大概十點半，剛停下車就收到消息。”薛其坤對此記憶猶新，“當(dāng)時非常激動，也很欣慰?！?/p>
“最初決定做這項實驗的時候，其實我們有思想準(zhǔn)備，也許我們努力之后發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)并不存在?！彼f，“最終我們在基礎(chǔ)研究中實現(xiàn)了一個全新科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，對于科學(xué)家來講，這是一種莫大的幸福?！?/p>
盡快應(yīng)用到實際中去，是我們的努力方向
量子反常霍爾效應(yīng)是新中國成立以來我國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的重要科學(xué)效應(yīng)之一，是中國物理學(xué)界對世界物理學(xué)發(fā)展作出的一項重大貢獻。
“這個成果的產(chǎn)生，應(yīng)該是對國家、人民長期強力支持我們的回報。”薛其坤表示。
此項成果發(fā)表后，產(chǎn)生了巨大的國際學(xué)術(shù)影響，得到了楊振寧等知名物理學(xué)家的高度評價。薛其坤于2014年、2022年兩次受邀在由諾貝爾基金會發(fā)起的諾貝爾論壇作特邀報告，還在國際分子束外延大會（2014年）、國際半導(dǎo)體物理大會（2014年）等相關(guān)領(lǐng)域最有影響力的國際會議上作大會特邀報告。2016年諾貝爾物理學(xué)獎授予了三位在拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湮镔|(zhì)領(lǐng)域做出開創(chuàng)性貢獻的理論物理學(xué)家，在該獎的科學(xué)背景介紹中，諾貝爾評獎委員會將量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)作為拓?fù)湮镔|(zhì)代表性實驗進展之一進行了介紹。
該成果也推動了相關(guān)研究的快速發(fā)展。此后數(shù)年間，各國研究者通過對磁性拓?fù)浣^緣體材料性質(zhì)的改進，將量子反常霍爾效應(yīng)的實現(xiàn)溫度從0.03K（開爾文，國際單位制中的溫度單位，以絕對零度作為計算起點）提升到1K以上。美、日、德等國的國家計量機構(gòu)均開展了基于量子反?；魻栃?yīng)的電阻量子標(biāo)準(zhǔn)研究，量子反?；魻栯娮璧木_度已初步滿足應(yīng)用于電阻量子標(biāo)準(zhǔn)的條件。量子反?；魻栃?yīng)還在超冷原子系統(tǒng)、內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角石墨烯、轉(zhuǎn)角過渡金屬硫化物系統(tǒng)中被觀測到。如今，量子反?；魻栃?yīng)相關(guān)研究已成為國際物理學(xué)發(fā)展最快的研究方向之一。
薛其坤團隊也在相關(guān)研究中不斷取得新成果，繼續(xù)引領(lǐng)著該方向的國際學(xué)術(shù)進展。他們和合作者在2018年首次發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4，這種材料具有規(guī)則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實現(xiàn)更高工作溫度的量子反?；魻栃?yīng)，從而使其能在電子器件中應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)開啟了國際上一個新的熱點研究方向，近年已有科學(xué)家基于該材料，在30K溫度觀測到磁場輔助下量子反?；魻枒B(tài)存在的證據(jù)，進一步增大了基于此材料實現(xiàn)高溫量子反?；魻栃?yīng)的希望。
“我們還要提高量子反常霍爾效應(yīng)的觀察溫度，尋找更便宜的材料。使其盡快應(yīng)用到實際中去，這是我們正在努力的方向?！毖ζ淅ふf。
從“小船”到“巨艦”
薛其坤曾自比為“一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。
1980年，他離開老家山東省臨沂市蒙陰縣，考入山東大學(xué)光學(xué)系。他自我評價說，當(dāng)時“不算特別努力，中規(guī)中矩完成了學(xué)業(yè)”。畢業(yè)那年，他沒考上研究生，工作2年后又考，再次落榜。1987年，他考入中國科學(xué)院物理所，開始了研究生學(xué)習(xí)。5年后，在導(dǎo)師陸華的幫助下，他作為中日聯(lián)合培養(yǎng)博士生，前往日本東北大學(xué)金屬材料研究所學(xué)習(xí)。
在日本的學(xué)習(xí)，給薛其坤帶來了兩大影響。一是使他養(yǎng)成了“7—11”工作習(xí)慣。他回憶說：“在此期間，我第一次接觸到世界上最先進的實驗技術(shù)和國際開放的環(huán)境，這是非常重要的機遇，我很珍惜，因此每天早上7點到實驗室，晚上11點離開，以求用更長的工作時間盡可能掌握更多實驗技術(shù)?！倍撬饾u養(yǎng)成了極為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灴茖W(xué)研究態(tài)度。
1994年，薛其坤回國完成答辯，在中國科學(xué)院物理所獲得博士學(xué)位，隨后繼續(xù)赴日本東北大學(xué)工作，并作為訪問學(xué)者，在美國北卡萊羅納州立大學(xué)物理系做了一年的博士后。1999年，他正式回國，在中國科學(xué)院物理所擔(dān)任研究員。此時的他，心中多了一份信念。
“在國外7年多時間，我看到了國家在科學(xué)研究上、國人在生活水平上，跟發(fā)達國家的巨大差距?！彼f，“這種經(jīng)歷觸發(fā)了我想為國家多做點事的信念。我希望祖國在科技各個方面都變得強大，希望中國人活得更幸福、更有尊嚴(yán)?！?/p>
帶著這份信念，薛其坤投身于祖國科研事業(yè)，每天早上7點到實驗室，晚上11點離開。常有學(xué)生想跟他比比誰能更早到實驗室、離開得更晚，但沒人能像他那樣多年如一日地堅持。
薛其坤認(rèn)為自己是幸運的。“從在中國科學(xué)院物理所的5年時間，到2005年加入清華大學(xué)以后，國家經(jīng)濟處在一個快速發(fā)展的時期，國家對大學(xué)的支持、對科學(xué)研究的支持、對人才的支持，也都是最好的時期?！彼f，“我們就在國家快速發(fā)展的滾滾洪流下不斷成長?！?/p>
如今，他已成為我國在量子科技領(lǐng)域的杰出戰(zhàn)略科學(xué)家。除了量子反常霍爾效應(yīng)，他還帶領(lǐng)團隊發(fā)現(xiàn)界面增強高溫超導(dǎo)，實現(xiàn)近年來高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重要突破，在國際上開辟了高溫超導(dǎo)的全新研究方向，成為改革開放40多年來我國基礎(chǔ)研究走向世界的杰出代表之一。
在人才培養(yǎng)、團隊建設(shè)等方面，薛其坤同樣成果顯著。他的團隊中已有1人當(dāng)選中國科學(xué)院院士、30余人次入選國家級人才計劃，共培養(yǎng)博士生、博士后120余名，為我國低維物理、量子材料領(lǐng)域建立了具有國際水準(zhǔn)的人才隊伍。
山區(qū)里駛出的小船，如今已成為馳騁在科學(xué)海洋里的巨艦，在潮頭浪尖領(lǐng)航。
【記者手記】薛其坤的幸福感
夏日的清華校園綠葉搖曳、光影交錯，寧靜中洋溢著青春的活力。
在李文正館古籍閱覽室，我見到了薛其坤院士——一如既往的謙遜溫和，話語誠懇。
“國家的強大，對一個科學(xué)家的事業(yè)來講是非常重要?！彼f，“黨和國家給我們創(chuàng)造了這么好的環(huán)境，讓我感覺當(dāng)中國科學(xué)家是最幸福的?！?/p>
采訪中，薛其坤經(jīng)常提到自己的“幸?！?。他的合作伙伴王亞愚教授也說：“我覺得薛老師在哪兒都會很幸福?！?/p>
這份幸福感從何而來？我覺得，因為他懂得珍惜，也懂得責(zé)任。
在沂蒙山區(qū)長大的薛其坤，過過苦日子。后來他考入山東大學(xué)，度過了快樂的大學(xué)生活，又在曲阜師專教書，發(fā)了工資就去買好吃的。講述這些故事，他繪聲繪色。
在中國科學(xué)院物理所讀研，赴日本、美國學(xué)習(xí)和工作，讓步入更高科學(xué)殿堂、接觸到更先進科學(xué)技術(shù)的薛其坤越來越認(rèn)識到，這來之不易的幸福值得珍惜，更需要加倍努力作出回報。
于是他每天花16個小時泡在實驗室里，盡可能多學(xué)習(xí)知識、多掌握技術(shù)，只為心中愈發(fā)堅定的信念：多做點事，讓鄉(xiāng)親們過得更好，讓國人更有尊嚴(yán)，讓祖國更強大。
回國后，薛其坤乘上了國家快速發(fā)展的東風(fēng)。在向科學(xué)前沿奮力攀登的同時，他也不斷將自己的幸福感傳遞給身邊的年輕人。
在學(xué)生面前，薛其坤平易近人，會把身段放得很低。他給學(xué)生們講自己數(shù)學(xué)考試不及格、三次才考上研究生，將自己塑造成一個“勤能補拙”的案例，鼓勵學(xué)生珍惜當(dāng)下環(huán)境，勤奮努力學(xué)習(xí)。
如果學(xué)生做實驗時不仔細(xì)，他則會令人“生畏”。曾有一名同學(xué)在實驗室里開小差，讓薛其坤大為發(fā)火，他訓(xùn)斥說：“有這么好的條件，不集中精力做實驗，不僅是浪費自己的時間，還是嚴(yán)重浪費科研資源。”說到激動處幾乎落淚。
量子反?；魻栃?yīng)研究取得的成功，讓薛其坤在幸福的同時更感欣慰：“這個成果的產(chǎn)生，應(yīng)該是對國家、人民長期強力支持我們的回報?！?/p>
目前，薛其坤團隊還在不斷取得新成果，繼續(xù)引領(lǐng)著相關(guān)領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)進展。他的使命尚未完結(jié)，他的幸福也將繼續(xù)。
