原標(biāo)題：薛其坤：探尋量子世界奧秘
5月30日，薛其坤（左）和他的學(xué)生在清華大學(xué)實驗室里工作。新華社記者 李文攝
人可以穿墻而過，旋轉(zhuǎn)可以永動不?！犉饋硐袷恰读凝S志異》中才有的場景，然而在微觀世界里它卻真實存在。那是一個只屬于物理學(xué)家的世界，在那里有許多不可思議的現(xiàn)象——它是薛其坤的另一個世界。
在此，物理學(xué)家薛其坤已經(jīng)守望了30多年，有過許多的發(fā)現(xiàn)，其中最讓世人驚嘆的便是他于2012年10月從實驗上首次發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。
令人振奮的發(fā)現(xiàn)——量子反常霍爾效應(yīng)
在微觀世界里，在不需要強磁場的情況下，電子可在各自的跑道上按規(guī)則有序地快速奔跑，這便是量子反?；魻栃?yīng)。而薛其坤第一次在實驗中觀測到這一現(xiàn)象。
2013年3月15日《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，宣布由薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學(xué)物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實驗團隊，從實驗上首次發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，這意味著量子霍爾效應(yīng)物理領(lǐng)域一個期待已久的重要現(xiàn)象已經(jīng)被中國科學(xué)家率先觀測到。
“量子反常霍爾效應(yīng)”，這是一個大多數(shù)人聽不懂的名詞。然而，它卻讓微觀世界的奇妙現(xiàn)象轉(zhuǎn)換到宏觀世界中成為可能。
在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可改變這一現(xiàn)象，“就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進?！?/p>
遺憾的是，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，這一缺點阻礙了其在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。量子反常霍爾效應(yīng)是一個全新的量子效應(yīng)，由于其不需要外加磁場，因此在應(yīng)用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)要方便得多，可以推動新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展。因此從理論研究和實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，成為世界凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點。
“你想想，在那個世界里，粒子怎么可以穿過勢壘，電子為什么可以圍繞原子核不停旋轉(zhuǎn)，這些奇妙的現(xiàn)象是偶然嗎？到底是什么原理呢？好奇么？”薛其坤說這話的時候帶著他招牌式的笑容，語氣卻又帶著幾分孩子氣的探究。據(jù)說他平時老用這招吸引學(xué)生在枯燥的實驗和科研中堅持下去。
一切不是偶然——機會屬于有準(zhǔn)備的人
2012年10月12日晚10點35分，薛其坤收到學(xué)生常翠祖的一條短信，“薛老師，量子反常霍爾效應(yīng)出來了，等待詳細(xì)測量。”這是薛其坤等待已久的消息，他和他的團隊已經(jīng)為此努力了4年多。
時光追溯到2008年，薛其坤清楚地記得自己最初了解到拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果時激動和興奮的心情。從此，“拓?fù)浣^緣體”走進了薛其坤的視野，并一直伴隨著他的研究生涯。
那一年，華裔物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)的張首晟教授等理論物理學(xué)家提出了用磁性拓?fù)浣^緣體實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的方案，從理論上提出這一材料實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)可能性，但能否在實驗中發(fā)現(xiàn)它還是未知數(shù)。張首晟和薛其坤有深厚的友誼，他們在交流中認(rèn)識到，這是一個非常值得在中國進行深入探究的領(lǐng)域。從那時起，他們就展開了對拓?fù)浣^緣體中新奇量子效應(yīng)的實驗研究。
機會從來都屬于有準(zhǔn)備的人。薛其坤在材料、半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究讓他成為從事這一研究的不二人選。材料的生長動力學(xué)描述的是如何從一個個原子的反應(yīng)最后形成一個宏觀樣品的過程，只有掌握了材料的生長動力學(xué)，才能精確地控制材料的生長。從1992年攻讀博士學(xué)位起，薛其坤就一直從事薄膜生長動力學(xué)的系統(tǒng)研究，至今已經(jīng)累積了20余年的經(jīng)驗，并已獲得兩項國家自然科學(xué)獎二等獎?！澳悴恢溃缭诙嗄昵?，薛老師在材料科學(xué)領(lǐng)域就已經(jīng)是極富盛名的科學(xué)家，在日本科學(xué)界是響當(dāng)當(dāng)?shù)娜宋??！毖ζ淅ぴ?jīng)的學(xué)生、現(xiàn)在的同事何珂告訴科技日報記者。
不是一個人在戰(zhàn)斗——協(xié)調(diào)團隊做出最好的科研
用拓?fù)浣^緣體制備出樣品，而后進行檢測，然后根據(jù)檢測結(jié)果做出相應(yīng)的調(diào)整是每天的工作。如何能提高效率，盡快地實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)？薛其坤想到了王亞愚。王亞愚是普林斯頓走出的著名物理學(xué)家，主要研究工作是運用精密的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和掃描隧道顯微術(shù)等實驗手段，探索凝聚態(tài)物質(zhì)中由于電子間的強相互作用而引起的非常規(guī)物理現(xiàn)象。簡單地說，薛其坤制備樣品、王亞愚來檢測。兩個方向不同的物理學(xué)家開創(chuàng)性地組成了一個團隊，這樣緊密地結(jié)合在全世界也不多見，極大地提高了實驗的效率。這個團隊以每天兩個樣品的速度高效地運轉(zhuǎn)著，在進行實驗的4年中，他們先后嘗試了1000多個拓?fù)浣^緣體樣品，最終他們獲得了成功。
當(dāng)年那個給他發(fā)短信的學(xué)生常翠祖如今已經(jīng)身在美國麻省理工學(xué)院（MIT），在那里他從新的材料體系里也實現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)。他始終保持著與恩師最緊密的聯(lián)系。他說從老師那里，得到的最重要的東西不是作為第一作者發(fā)表了引起重大影響的學(xué)術(shù)論文，而是知道了如何協(xié)調(diào)一個團隊做出最好的科研成果。
“好人”，是學(xué)生對薛老師最樸實的評價。即便是在成為清華大學(xué)副校長后異常忙碌的日子里，他始終保持著與學(xué)生們研討的習(xí)慣，“不管在哪里見到他，他都會先向你笑——那樣咧開嘴，高興到心里的笑，感染著我們團隊的每一個人?！彼膶W(xué)生告訴記者。
幾乎所有與薛其坤認(rèn)識的人都愿意與他有更深入的合作。王亞愚說：“只有薛老師才能匯聚起這么多人，能去做這項研究?！?/p>
做研究如看偵探小說——一旦開始就停不下來
薛其坤愛看偵探小說，最愛看破案的節(jié)目。“當(dāng)我看偵探小說的時候，在謎底揭開之前絕對不會把書放下。同樣，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象不能解釋，我一定要天天做實驗，不停地想啊，這個現(xiàn)象到底存在嗎，什么條件下存在呢，揭開謎底的過程每一步都充滿著驚喜。”
“對沉迷于科研的人來說，每一天都是那么快樂，以至于時間一不小心就溜走了?！毖ζ淅ふf，“當(dāng)你的實驗數(shù)據(jù)比別人更準(zhǔn)確、更漂亮?xí)r，那種快樂，你能體會嗎？當(dāng)你把一個復(fù)雜的龐大的儀器用得像騎自行車一樣熟練時，那種自如，你能體會嗎？當(dāng)你的研究獲得突破性進展時，那種驕傲，你能體會嗎？”薛其坤追問記者。
所以，對薛其坤來說，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，不是終點，而是開篇。薛其坤在科研的道路上從未停止。他告訴記者，現(xiàn)在的量子反常霍爾效應(yīng)是在接近零下273攝氏度中實現(xiàn)的，要想實現(xiàn)應(yīng)用，就需要把溫度往上升。“若是能讓量子反?；魻栃?yīng)在常溫下實現(xiàn)，那時全世界的物理學(xué)家都會欣喜萬分。”薛其坤說。
現(xiàn)在，離薛其坤團隊第一次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)已經(jīng)過去了兩年多，在這兩年多的時間里，不斷有好消息傳來：4所國外頂級名校已實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。同時，薛其坤和他的同事還在保持著每天兩個樣品的速度加緊研究和測試，并又觀察到一些有趣的新現(xiàn)象，比如發(fā)現(xiàn)零霍爾電導(dǎo)平臺。
“即便有再多事情，只要在北京，薛老師一定要到實驗室來，因為他要跟我們一起想象另外一個世界的事，哎呀，真是特別有趣?！焙午嫘Σ[瞇地對記者說。
5月30日中午12點，薛其坤忙完上午工作，從實驗室回理學(xué)院辦公室，經(jīng)過三樓時他照例稍停了一下，這里有一堵聞名全國的院士墻。上面是清華物理系畢業(yè)或工作過的八十多位院士圖片，葉企孫、吳有訓(xùn)、吳大猷、王大珩、周培源……每一位都有赫赫威名，薛其坤是其中的“小字輩”。薛其坤的手從他們的照片上一一撫過，中國物理學(xué)的昨天、今天和明天在這里延伸……（科技日報北京5月30日電）
(來源:科技日報)