薛其坤方舟子 清华人物 | 薛其坤与他的量子世界
沉浸于量子世界十余载,他既探索如何同量子世界交流,又保持同外界、学界的对话;他说,实验室生活与其说是刻苦,不如说是忘我;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,科学发现没有第二,需要争分夺秒,没有退路……
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。
同时间赛跑 享受“7-11”生活
2013年3月15日,《科学》杂志发表了一项震惊物理学界的成果——薛其坤领衔的团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应。
新闻发布会上,杨振宁的评价让人更加明白这项成果的分量。“这让我想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话,她第一次告诉我在实验室做出了宇称不守恒的实验,这个发现震惊了世界。今天,薛其坤及其团队的实验成果,不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事。”
有人说,如果没有“同时间赛跑”的执著,就没有这项科研成果。
“真是拼。”清华大学物理系前主任朱邦芬院士如此感叹,“早上7点进实验室,晚上11点才离开,这样的作息时间,其坤已经坚持了20年。”几乎所有认识薛其坤的人都知道他“7-11”的生活轨迹。
学生们亲切称他为“7-11”,也曾在心里较劲,“和薛老师比比,看谁先到实验室、谁最后离开”,然而多年来几乎无人能赢。这种近乎苦行的“修炼”,薛其坤从中体会到的是快乐而非痛苦。
在薛其坤看来,他最缺少的就是时间。“就我了解,全世界从事实验物理研究并取得重要成就的人,无一例外都是刻苦的。”他平静地说。
薛其坤的团队认为,刻苦是他们攻坚克难的第一秘诀。
“不管再晚再忙,只要不出差,薛老师总要到实验室看一看,和学生聊一聊,那种对科研的热爱和精力,真是让人惊叹。”进入“量子反常霍尔效应”实验团队两年,清华大学物理系博士生冯硝也被薛其坤的刻苦精神深深感染,“一开始觉得这样很累很枯燥,可在薛老师带领下,每观测到一个漂亮的数据,那幸福真是无以言表!薛老师做到今天这种程度,还这么努力,我们更没有理由不努力。”
而在薛其坤看来,实验室里的日复一日更像是一种“忘我”:“每天8个小时分析实验数据、看实验结果,你会忘记时间的存在。”
除了精力上的投入,在这个人人都急于出成果的年代,薛其坤更关注的是基本功的训练。
“我们做实验物理的,不完全在于发了多少文章,首先需要掌握的是扎实的实验技术。任何一个大的实验物理学家,都是扎扎实实做出来的。”薛其坤说。
而如今,身担科学院院士、清华大学副校长、科研团队掌舵人等多重责任,时间对他而言更加紧张。“我一直在寻找一个平衡,白天处理学校的科研事务,晚上泡在实验室。”
他常说,“7-11”的生活不是谁都可以。你若不能深入其中,这样的刻苦便是一种痛苦,最终会让人崩溃;你若进入了这个科学的世界,便能从中获得快乐,这样的坚持是一种享受。
用极致追求 向世界科学“亮剑”
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,马上实施检测实验。
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”这一难题。
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。
如今,量子反常霍尔效应的发现,让薛其坤及其团队“亮剑”国际。在团队眼中,攀登新的科学巅峰时不我待。
心存高远 追求小量子里的大“梦想”
薛其坤的科研人生经历本身就是“中国梦”的一个鲜活注脚。
薛其坤出生和成长于沂蒙山区。作为1978年恢复高考后第四批上大学的幸运儿,上世纪90年代出国深造后,他先后在日美留学和工作8年,在祖国需要的时候,满腔热忱回到中国。
凭借对科学的好奇心、对工作的热爱、对科研的责任心与担当,回国后的薛其坤钻进实验室,十几年如一日,没有休息过一个完整的假期和周末,每年平均工作时间在330天以上,每天工作时间在15小时左右,年平均工作时间高达5000小时……
终于,不论在实验的复杂性、不确定性、实验精度要求和实验难度等方面,薛其坤及其团队都达到世界顶尖水平。
“以每50小时能完成一个特定条件下的实验,则每年可完成100个不同条件下的实验,日积月累,坚持不懈,你一定在领域前列。因为对于科学发现特别是重要发现,没有第二,只有冲,没有退路。”
心存高远,脚踏实地,成为“薛其坤们”的鲜明特征。
“不管是做科研、做教授,一定要做一个真正的科学家,必须要把功夫用到。科学就是科学,来不得半点马虎。”薛其坤说。2013年入选“万人计划”后,他依然以“7-11”节奏工作在一线。
在国家创新驱动发展的战略下,薛其坤感到肩头沉甸甸的责任。
在他看来,国家为越来越多的科学家提供了宽松的科研环境,更多的基础投入,科研人员需要以更大的热情、更忘我的精神再攀高峰。
