他是與時間賽跑的物理學(xué)家、量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者薛其坤。

同時間賽跑 享受“７－１１”生活

２０１３年３月１５日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項(xiàng)震驚物理學(xué)界的成果——薛其坤領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。

新聞發(fā)布會上，楊振寧的評價(jià)讓人更加明白這項(xiàng)成果的分量。“這讓我想起很多年前接到物理學(xué)家吳健雄的電話，她第一次告訴我在實(shí)驗(yàn)室做出了宇稱不守恒的實(shí)驗(yàn)，這個發(fā)現(xiàn)震驚了世界。今天，薛其坤及其團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)成果，不僅是科學(xué)界的喜事，也是整個國家的喜事。”

有人說，如果沒有“同時間賽跑”的執(zhí)著，就沒有這項(xiàng)科研成果。

“真是拼。”清華大學(xué)物理系前主任朱邦芬院士如此感嘆，“早上７點(diǎn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，晚上１１點(diǎn)才離開，這樣的作息時間，其坤已經(jīng)堅(jiān)持了２０年。”幾乎所有認(rèn)識薛其坤的人都知道他“７－１１”的生活軌跡。

學(xué)生們親切稱他為“７－１１”，也曾在心里較勁，“和薛老師比比，看誰先到實(shí)驗(yàn)室、誰最后離開”，然而多年來幾乎無人能贏。這種近乎苦行的“修煉”，薛其坤從中體會到的是快樂而非痛苦。

在薛其坤看來，他最缺少的就是時間。“就我了解，全世界從事實(shí)驗(yàn)物理研究并取得重要成就的人，無一例外都是刻苦的。”他平靜地說。

薛其坤的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，刻苦是他們攻堅(jiān)克難的第一秘訣。

“不管再晚再忙，只要不出差，薛老師總要到實(shí)驗(yàn)室看一看，和學(xué)生聊一聊，那種對科研的熱愛和精力，真是讓人驚嘆。”進(jìn)入“量子反常霍爾效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)兩年，清華大學(xué)物理系博士生馮硝也被薛其坤的刻苦精神深深感染，“一開始覺得這樣很累很枯燥，可在薛老師帶領(lǐng)下，每觀測到一個漂亮的數(shù)據(jù)，那幸福真是無以言表！薛老師做到今天這種程度，還這么努力，我們更沒有理由不努力。”

而在薛其坤看來，實(shí)驗(yàn)室里的日復(fù)一日更像是一種“忘我”：“每天８個小時分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，你會忘記時間的存在。”

除了精力上的投入，在這個人人都急于出成果的年代，薛其坤更關(guān)注的是基本功的訓(xùn)練。

“我們做實(shí)驗(yàn)物理的，不完全在于發(fā)了多少文章，首先需要掌握的是扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。任何一個大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，都是扎扎實(shí)實(shí)做出來的。”薛其坤說。

而如今，身擔(dān)科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長、科研團(tuán)隊(duì)掌舵人等多重責(zé)任，時間對他而言更加緊張。“我一直在尋找一個平衡，白天處理學(xué)校的科研事務(wù)，晚上泡在實(shí)驗(yàn)室。”

他常說，“７－１１”的生活不是誰都可以。你若不能深入其中，這樣的刻苦便是一種痛苦，最終會讓人崩潰；你若進(jìn)入了這個科學(xué)的世界，便能從中獲得快樂，這樣的堅(jiān)持是一種享受。

用極致追求 向世界科學(xué)“亮劍”

２０１２年１０月的一個晚上，薛其坤收到學(xué)生短信，他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)的跡象。

薛其坤立即組織團(tuán)隊(duì)人員，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，部署實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，馬上實(shí)施檢測實(shí)驗(yàn)。

接下來幾天的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)成員用“誠惶誠恐”形容當(dāng)時的心情。２５８００歐姆，所有人期待著這個標(biāo)志性的數(shù)值。數(shù)據(jù)不停地跳動著，１５８００、２００００、２５８００！數(shù)據(jù)停住了！

世界量子物理學(xué)將記住這一刻——在美國物理學(xué)家霍爾于１８８０年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)１３０多年后，人類終于實(shí)現(xiàn)了其量子化。

量子反常霍爾效應(yīng)的特征性行為順利得到驗(yàn)證：材料在零磁場中的反常霍爾電阻達(dá)到量子電阻的數(shù)值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零。

結(jié)果揭曉當(dāng)天，薛其坤帶了兩瓶香檳，與團(tuán)隊(duì)合影，留下這珍貴的回憶。這天，離２００８年１０月實(shí)驗(yàn)開始已整整４年。

對于量子霍爾效應(yīng)，薛其坤打了個比方：普通狀態(tài)下的電子運(yùn)動軌跡是無序的，時有碰撞。量子霍爾效應(yīng)里的電子在外加磁場的情況下，運(yùn)動在“高速公路”上，分道行駛。

而在量子反常霍爾效應(yīng)中，無需在材料中加外磁場，即可實(shí)現(xiàn)電子的“分道行駛”。這解決了外加磁場在實(shí)際應(yīng)用中“價(jià)格昂貴”“體積龐大”“不適于便攜式電子設(shè)備”這一難題。

薛其坤介紹，拓?fù)浣^緣體上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)由美國斯坦福大學(xué)華裔科學(xué)家張首晟等人在２００８年首次提出。然而實(shí)際中，能夠制出滿足實(shí)驗(yàn)需求的拓?fù)浣^緣體材料絕非易事。

薛其坤及其團(tuán)隊(duì)卻勇敢擔(dān)起使命。

開始，他們沿國際上技術(shù)路線進(jìn)行嘗試，總是失敗。漸漸地，他們探索用不同元素和結(jié)構(gòu)來生長材料。１０００個樣品，一次次生長、測量，一次次不順利、調(diào)整，再生長、再測量……終于，一個個激動人心的成果接踵而至：

２０１０年，完成對１納米到６納米厚度薄膜生長和輸運(yùn)測量；２０１１年，實(shí)現(xiàn)對拓?fù)浣^緣體能帶結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內(nèi)電子對輸運(yùn)性質(zhì)的影響；最終利用外加?xùn)艠O電壓實(shí)現(xiàn)了對其電子結(jié)構(gòu)的原位精密調(diào)控。

如今，量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，讓薛其坤及其團(tuán)隊(duì)“亮劍”國際。在團(tuán)隊(duì)眼中，攀登新的科學(xué)巔峰時不我待。

心存高遠(yuǎn) 追求小量子里的大“夢想”

薛其坤的科研人生經(jīng)歷本身就是“中國夢”的一個鮮活注腳。

薛其坤出生和成長于沂蒙山區(qū)。作為１９７８年恢復(fù)高考后第四批上大學(xué)的幸運(yùn)兒，上世紀(jì)９０年代出國深造后，他先后在日美留學(xué)和工作８年，在祖國需要的時候，滿腔熱忱回到中國。

憑借對科學(xué)的好奇心、對工作的熱愛、對科研的責(zé)任心與擔(dān)當(dāng)，回國后的薛其坤鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，十幾年如一日，沒有休息過一個完整的假期和周末，每年平均工作時間在３３０天以上，每天工作時間在１５小時左右，年平均工作時間高達(dá)５０００小時……

終于，不論在實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性、不確定性、實(shí)驗(yàn)精度要求和實(shí)驗(yàn)難度等方面，薛其坤及其團(tuán)隊(duì)都達(dá)到世界頂尖水平。

“以每５０小時能完成一個特定條件下的實(shí)驗(yàn)，則每年可完成１００個不同條件下的實(shí)驗(yàn)，日積月累，堅(jiān)持不懈，你一定在領(lǐng)域前列。因?yàn)閷τ诳茖W(xué)發(fā)現(xiàn)特別是重要發(fā)現(xiàn)，沒有第二，只有沖，沒有退路。”

心存高遠(yuǎn)，腳踏實(shí)地，成為“薛其坤們”的鮮明特征。

“不管是做科研、做教授，一定要做一個真正的科學(xué)家，必須要把功夫用到。科學(xué)就是科學(xué)，來不得半點(diǎn)馬虎。”薛其坤說。２０１３年入選“萬人計(jì)劃”后，他依然以“７－１１”節(jié)奏工作在一線。

在國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的戰(zhàn)略下，薛其坤感到肩頭沉甸甸的責(zé)任。

在他看來，國家為越來越多的科學(xué)家提供了寬松的科研環(huán)境，更多的基礎(chǔ)投入，科研人員需要以更大的熱情、更忘我的精神再攀高峰。

“把科研工作一步一步做上去，把學(xué)生一個一個培養(yǎng)出來，唯有如此才能為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的‘中國夢’貢獻(xiàn)出自己的力量。”這就是這位科學(xué)追夢人如今最樸素的愿望。
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