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“科研的快乐让我停不下来” 记中国科学院院士薛其坤
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【导读】“如果把电子比做人,计算机芯片里的电子运动是无规律的,就像人行走在乱糟糟的农贸市场,总会走弯路、碰到人,就会发热,效率不高。

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 薛其坤在实验室指导学生


采访薛其坤,是在5月末的清华园。绿树浓荫中,这位发现量子反常霍尔效应的著名物理学家,用他深入浅出的讲解,将记者带入玄奥的物理世界。


“如果把电子比做人,计算机芯片里的电子运动是无规律的,就像人行走在乱糟糟的农贸市场,总会走弯路、碰到人,就会发热,效率不高。而量子霍尔效应就是一条高速路,电子可以分车道分方向前进。但普通量子霍尔效应的产生需要强磁场,成本昂贵。”薛其坤说,“量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场,因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子元器件的发展,可能加速推进信息技术革命进程。”


薛其坤率领的团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应,取得基础物理领域重大突破。此后的2年多时间里,日本东京大学、美国加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院和斯坦福大学等4所国际著名高校的研究团队,相继复现了这一实验结果,进一步证明了实验的可靠性。


薛其坤并没有因此停下探索的脚步。“科研是快乐的事,我们根本停不下来。”他说,“目前实现量子反常霍尔效应的温度是30mk(负273.12℃,仅比绝对 零度高0.03℃),我们的目标是在高一些的液氦温区、液氮温区,甚至室温下实现量子反常霍尔效应,这样才可实际应用。”


沂蒙山少年的樱桃论


5月是樱桃上市季节,薛其坤就把他们的研究目标,比作山顶甜美的樱桃。


量子反常霍尔效应需要材料本身既具备磁性又是绝缘体。由于磁体通常为导体,这是一个自相矛盾的要求。内部是绝缘体、界面是导体的拓扑绝缘体这种量子物态新材 料的出现,让这个矛盾的要求有了实现的可能。从2008年起,张守晟等理论物理学家提出了用磁性拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应的方案。


薛其坤说:“这是理论物理学家给我们画出的樱桃。山顶可能有樱桃,但到底有没有,不知道。”


山路险阻曲折,如何才能为一个并不确定的目标付出艰苦执着的努力?“我们可以朝这个方向努力,能达到目标更好,但在前往这个目标的过程中,本身就有很多收获。我们可能看到新的风景,也可能在半山发现桃树,摘到桃子。”薛其坤的答案十分豁达。


对于豁达而又努力的人,现实常常回报给他们惊喜。


清华大学的薛其坤、王亚愚和中科院的马旭村、吕力这4个各有所长的实验小组,花费了4年多时间,用“分子束外延”方法,做出了融合4种元素的高纯度单晶材 料,最终取得了完美的实验结果。事后统计显示,实验团队总共做了超过1000次磁性掺杂的样品测量,在生长阶段就失败而没拿去测量的样品则根本无法计算。


这个实验需要极其精密的材料生长控制技术,做了20多年分子束生长的薛其坤提供了国际领先的技术储备:2002年初,薛其坤等人曾开创过一个融合分子束外延 设备、扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱三种实验设备的联合系统,该系统的发展和熟练运用,对拓扑绝缘体材料的精密控制起到重要作用。


他们不但摘到了山顶的樱桃,也摘到了半山的桃子。薛其坤说:“在实验过程中,我们发现了掺磁拓扑绝缘体的一些特殊规律,可用于其性质调控。还观察到一些新的有趣现象,如零量子电阻平台,这是理论物理没有预见的地方。”


“摘到樱桃的一刹那最激动人心,但我们要享受爬山的每一个阶段。”事实上,1963年出生于山东省蒙阴县的薛其坤,本来就曾是一名沂蒙山区里长成的少年,爬山对他几乎是本能,而爬山所需的坚韧与豁达则是刻入他的基因。


他曾连续考研3年才考中。1984年在山东大学本科毕业后,他被分配到曲阜师范大学当助教,边工作边考研。回忆起当初的失利,他笑道:“我是山里出来的孩子,考不上不算打击。”

“7-11”院士的快乐观


35岁晋级教授,41岁成为中国科学院院士,50岁攻克量子世界难题。薛其坤的科研道路粗看平顺,细察却不乏挫折。


考入中科院物理所当研究生后,他的科研道路也并非坦途。1990年硕士毕业时,已经有了家庭和孩子的薛其坤选择了继续读博。


1992年,日本东北大学教授樱井利夫来中国访问,要从中科院挑选中日联合培养的博士生,薛其坤获得了去日本东北大学留学的机会。


这是薛其坤学术生涯的一个重要转折点,然而这个转折点却充满汗水和磨难。


樱井利夫的实验室被称为“7-11”实验室,学生每天早七点之前必须到实验室签到,晚十一点以后才能离开,中午无午休,仅有吃饭时间。


在被“7-11”魔鬼式作息制度折磨的同时,薛其坤还要忍受不懂日语的精神折磨。由于听不懂导师指令,他经常受到导师严厉指责。导致导师和同学们一起做实验时,他不敢碰仪器,只在一边怔怔地看。


不少去日本学习的同学受不了这样的煎熬,“逃”了回去。薛其坤却从刚上学的儿子电话里背给他听的课文里找到了力量:“我是中国人,我爱自己的祖国……”


他选择留下来,为中国人争口气。他每天第一个到实验室,最后一个离开。渐渐地,导师的话能听懂了,实验仪器也会操作了,凭借扎实功底和超常付出,他最终在世界顶级学术期刊上发表论文,顺利拿到博士学位。


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”,回国工作。


回国十多年间,无论在中科院还是在清华,他都保持着“7-11”作息。清华大学物理系前系主任朱邦芬院士说:“我曾与其坤一起出差,晚上12点回到北京,他仍坚持要去实验室再看看。”


常年“7-11”,世人以为苦,薛其坤却以之为乐。“当发现一个物理现象跟平常不一样时,我会试图去解释它,就像读一本侦探小说,确定嫌疑人,推导出他到底 怎么做的,根本停不下来,非得看完才能去睡觉。”薛其坤说,科学探秘,就像侦探解谜一样有趣,当你深入其中,就会获得巨大快乐。


“钱学森之问”的新期待


薛其坤是学术圈里公认的高情商科学家。他总是善于找到顶级的合作伙伴,也知人善任,让每一个人人尽其用。比如量子反常霍尔效应的科研团队中,马旭村、陈曦、王亚愚、何珂等年轻科学家都非常优秀,而且都最大程度地释放出了创造力。


“科学家不仅需要有智商,也需要有情商。现在的科学研究,尤其是科学实验,都需要团队作战。此外,情商高也有利于国际学术交流,有利于培养学生。”作为教授,薛其坤在培养学生时,除了严格要求他们的基本功,也十分重视情商的培养。


“要从本质上培养团队协作能力,你要学习和人打交道,你要在仪器上和很多人一起合作,要学会怎么做科学研究。”薛其坤经常如此教育学生,“未来,当你从执行者变成指挥者的时候,你会发现学会做这类高水平科研是更重要的,比发论文重要。”


常翠祖的经历印证了这一判断。他是薛其坤的一名博士,量子反常霍尔效应实验成功后,他博士毕业,去美国麻省理工学院(MIT)当博士后,帮助MIT的研究组 重复了量子反常霍尔效应的实验结果,成为一名“准指挥者”。MIT的教授对常翠祖的工作非常满意,在薛其坤赴美开会时,特地请他吃饭,感谢他培养出了一流 人才。


“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”这是钱学森在2005年曾提出的沉重问题。现任清华副校长的薛其坤,对这个问题持有乐观的态度,并寄厚望于现在的年轻学子。


“解 答‘钱学森之问’的症结在于时间。科学来不得半点马虎,人才培养也要循序渐进,不能跃进。我这一辈人接受正规的系统科学训练已经很晚,需要比别人更加刻苦 才能弥补这个差距。但现在的孩子们不一样,他们智力水平高,又从小受到了完整科学训练,我国这些年对科研的投入也远非从前可比,一流的实验室和科研团队会 越来越多。”薛其坤认为,只要我们国家的发展势头保持下去,跟国外站在同一个起跑线上的新一代研究者,未来就将作出更大贡献。





2018-05-07 21:13:09
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