与时间赛跑的物理学家薛其坤的故事

时间：2021-08-31

与时间赛跑的物理学家薛其坤的故事

　　他既探索如何同量子世界交流，又保持同外界、学界的对话;当中国科学院院士、清华大学副校长等光环笼罩着他，他更习惯学生叫他“薛老师”;他说，实验室生活与其说是刻苦，不如说是忘我，科学发现没有第二，需要争分夺秒，没有退路……他就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。今天小编就来分享与时间赛跑的物理学家薛其坤的故事,希望读者喜欢。

　　与时间赛跑的物理学家薛其坤的故事

　　励志人生

　　薛其坤的人生经历，可谓是“知识改变命运”的最好注脚。对此，清华大学物理系前主任朱邦芬院士说，“其坤出生成长在贫困的沂蒙山区，少时的艰苦生活练就了他特别能吃苦的坚韧性格。他遇到过许多困难，但总是乐观面对。”薛其坤自己则开玩笑地说，之所以要来北京读研，是因为家里困难，想在研究生毕业后能找个好工作改善生活。

　　在山东大学本科毕业后，薛其坤被分配在曲阜师范大学当物理教师。尽管以“孔子故里”而著称，曲阜在山东省并不算是经济发达地区，曲阜师大的学生们毕业后大都当中学教师。为了改变命运，他和自己的学生一样踏上了考研之路。在经历两次失败后，他终于在第三次考研时取得成功，成为中科院物理研究所的研究生。

　　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。

　　追求极致

　　2012年10月的一个晚上，薛其坤收到学生短信，他们在实验中发现了量子反常霍尔效应的迹象。

　　薛其坤立即组织团队人员，设计实验方案，部署实验细节，实施检测实验。

　　接下来几天的实验中，团队成员用“诚惶诚恐”形容当时的心情。25800欧姆，所有人期待着这个标志性的数值。数据不停地跳动着，15800、20000、25800!数据停住了!

　　世界量子物理学将记住这一刻——在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应130多年后，人类终于实现了其量子化。

　　量子反常霍尔效应的特征性行为顺利得到验证：材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值并形成一个平台，同时纵向电阻急剧降低并趋近于零。

　　结果揭晓当天，薛其坤带了两瓶香槟，与团队合影，留下这珍贵的回忆。这天，离2008年10月实验开始已整整4年。

　　对于量子霍尔效应，薛其坤打了个比方：普通状态下的电子运动轨迹是无序的，时有碰撞。量子霍尔效应里的电子在外加磁场的情况下，运动在“高速公路”上，分道行驶。

　　而在量子反常霍尔效应中，无需在材料中加外磁场，即可实现电子的“分道行驶”。这解决了外加磁场在实际应用中“价格昂贵”“体积庞大”“不适于便携式电子设备”这几大难题。

　　薛其坤介绍，拓扑绝缘体上实现量子反常霍尔效应由美国斯坦福大学华裔科学家张首晟等人在2008年首次提出。然而实际中，能够制出满足实验需求的拓扑绝缘体材料绝非易事。

　　薛其坤及其团队却勇敢担起使命。

　　开始，他们沿国际上技术路线进行尝试，总是失败。渐渐地，他们探索用不同元素和结构来生长材料。1000个样品，一次次生长、测量，一次次不顺利、调整，再生长、再测量……终于，一个个激动人心的成果接踵而至：2010年，完成对1纳米到6纳米厚度薄膜生长和输运测量;2011年，实现对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使其成为真正的绝缘体，去除了体内电子对输运性质的影响;最终利用外加栅极电压实现了对其电子结构的原位精密调控。

　　超导领域研究

　　在超导研究领域，薛其坤带领研究团队发展了低温分子束外延材料生长技术，2004年观测到量子尺寸效应导致的超导温度的量子振荡现象。该成果在固体物理学的发展上具有非常重要的基础意义，薛其坤因此获得2010年第三世界科学院物理奖和2011年国家自然科学二等奖等奖励。

　　最近几年，薛其坤研究团队首次把分子束外延技术用于铁基高温超导研究，发现了一类全新的低维高温超导体系，使界面超导成为高温超导领域的一个全新研究热点，引领了国际学术研究方向。

　　近年来，薛其坤作为首席科学家先后承担了科技部的量子调控重大研究计划项目，主持了国家基金委的创新研究群体项目和重大国际合作项目等多项重要研究任务。在拓扑绝缘体、低维超导和纳米科学等三个物理学的热点研究方向上，他的团队的研究水平已居于世界领先行列。

　　“科学研究不能急功近利”

　　“攻关却不急躁”是薛其坤团队成员始终恪守的信条。在进行量子反常霍尔效应实验过程中，曾有半年时间，一点儿进展都没有，这对团队成员来说是一个非常大的'考验。但薛其坤耐得住性子，他追求的是实验数据的严谨性和实验的精确性。

　　“科学研究从来都急不得”，薛其坤关注的是扎扎实实的基本功训练，他对学生的要求是，“要在类似条件下把实验做到同行里最好的水平，不能急功近利”。

　　在学生眼里，薛其坤乐观、幽默、充满活力，爱好广泛，大部分时候，对他们都非常和蔼，还经常会买好吃的“贿赂”他们;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：写报告，一个标点符号的错误，他都会挑出来;操作仪器，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。

　　薛其坤认为，严谨认真是一个科研工作者不可或缺的品质。“实验过程中用到的设备总价值大概 3000多万人民币，一个操作失误，可能几万、十几万就没有了。如果没有精湛的实验技术和细致操作，很难实现重大的科研成果。”

　　“国家连续多年对基础科学领域的投入都是大幅度增长，这对搞基础研究的人来说，是一个很大的鼓舞。而我们要做的，就是把比较成熟的研究方法和研究习惯传承下去，让研究少走弯路。”薛其坤说。

　　高情商

　　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。文/韩爽

　　历程评述：

　　1999年回国至今，薛其坤已指导博士后12位，其中有6人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，两人入选“青年千人计划”、3人入选国家基金委“优秀青年基金计划”、两人入选中科院的“百人计划”。

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