闭上眼睛,想象一下这么一个场景,人可以穿墙而过,粒子可以穿过势垒,旋转可以永动不停,这是一个只属于物理学家的世界,是他们的精神家园。在这群人中,有一个人,他心存高远,沉浸于量子世界十余载,追求小量子里的大“梦想”,他是与时间赛跑的物理学家、量子反常霍尔效应的发现者——薛其坤。
薛其坤,出生和成长于沂蒙山区。35岁当教授,41岁就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。这样的经历似乎表明,薛其坤天生就对物理有敏锐的洞察力。但实际上,薛其坤的科研之路并不平坦。
1984年在山东大学本科毕业后,薛其坤被分配到曲阜师范大学当助教,边工作边考研,考了三次才考上中科院物理所。1992年,导师陆华把他送到日本东北大学金属材料研究所学习。1996年,薛其坤开始在国际物理界崭露头角。1999年,他入选中科院“百人计划”,在祖国需要的时候,满腔热忱地回到中国工作。
2012年底,薛其坤率领的团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应,这是我国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理现象,也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。那个重要的时刻是在2012年10月12日晚10时35分,薛其坤从实验室回家刚把车停好,就收到学生常翠祖的一条短信,“薛老师,量子反常霍尔效应出来了,等待详细测量。”
这一刻,距离美国物理学家霍尔提出反常霍尔效应已经过去133年,而为此,薛其坤和他的团队已经努力了4年多。
要观察到量子反常霍尔效应,就需要拓扑绝缘体材料,这种材料要求既具备磁性又是绝缘体,要做到这一点,以单晶硅为例,这要求在一百万个硅原子中只能有一个杂质,用薛其坤的话说,这可以说是一个“自相矛盾”的要求。
从2008年开始,薛其坤带领他的团队开始研究这个课题,这个团队包括清华大学、中科院物理所等4个研究组,另外还有20多位研究生,分散在不同地方的实验团队成员,每天都通过电话和邮件交流实验结果,隔两三周就会充分讨论实验的所有细节。1500多个日日夜夜里,他们进行了上千次的材料生成与测量对比实验,争取每一步都做到极致,最终取得了成功。
薛其坤认为,这次成功的关键首先是依靠学术上的判断,因为在研究过程中,选择的材料体系用什么样的方法去实现,是有很多不同选择的。其次就是科学本身,在每一步的过程中,都有几条路去选择,但是经过仔细研究,在它的蛛丝马迹中,他们找到了最好的途径。最后就是研究团队的学生,他们甚至比国外的研究生更加努力。“我们就是走过了一个从0到1的过程,后面可能就是1+1,1+2,那么才有更多的区别。”
在清华大学,薛其坤有一个比“院士”还要响亮的名号——“7-11”教授。
在学生们眼里,薛其坤乐观、幽默、充满活力,大部分时候都非常和蔼,但对实验技术与科研训练,薛其坤对他们的要求到了近乎苛刻的地步。薛其坤要求学生们写报告时,不要有一个标点符号的错误;操作仪器,无论是顺时针还是逆时针,都要养成习惯,要做到闭着眼睛都能操作无误。这种追求极致的科研态度让学生们受益匪浅。
回国至今,薛其坤已经指导了12位博士后,其中有7位晋升为教授或研究员。培养了近50位博士,其中有两人的论文入选全国优秀百篇博士论文,八人入选“青年千人计划”、六人入选国家基金委优秀青年基金计划、两人入选中科院“百人计划”。
从大山深处到攀上低维量子物理研究的最高峰,面对未来,这位科学追梦人仍然致力于研究文化和科研环境的建设,努力让量子物理把世界变得更加美好。
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