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采訪薛其坤,是在5月末的清華園。綠樹濃蔭中,這位發(fā)現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)的物理學(xué)家,用他深入淺出的講解,將記者帶入玄奧的物理世界。
“如果把電子比做人,計算機(jī)芯片里的電子運動是無規(guī)律的,就像人行走在亂糟糟的農(nóng)貿(mào)市場,總會走彎路、碰到人,就會發(fā)熱,效率不高。而量子霍爾效應(yīng)就是一條高速路,電子可以分車道分方向前進(jìn)。但普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要強(qiáng)磁場,成本昂貴。"薛其坤說,“量子反?;魻栃?yīng)的好處在于不需要任何外加磁場,因此這項研究成果將推動新一代低能耗晶體管和電子元器件的發(fā)展,可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程。"
2012年底,薛其坤率領(lǐng)的團(tuán)隊在實驗中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng),取得基礎(chǔ)物理領(lǐng)域重大突破。此后的2年多時間里,日本東京大學(xué)、美國加州大學(xué)洛杉磯分校、麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)等4所高校的研究團(tuán)隊,相繼復(fù)現(xiàn)了這一實驗結(jié)果,進(jìn)一步證明了實驗的可靠性。
薛其坤并沒有因此停下探索的腳步?!翱蒲惺强鞓返氖拢覀兏就2幌聛?。"他說,“目前實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的溫度是30mk(負(fù)273.12℃,僅比零度高0.03℃),我們的目標(biāo)是在高一些的液氦溫區(qū)、液氮溫區(qū),甚至室溫下實現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng),這樣才可實際應(yīng)用。"
沂蒙山少年的櫻桃論
5月是櫻桃上市季節(jié),薛其坤就把他們的研究目標(biāo),比作山頂甜美的櫻桃。
量子反?;魻栃?yīng)需要材料本身既具備磁性又是絕緣體。由于磁體通常為導(dǎo)體,這是一個自相矛盾的要求。內(nèi)部是絕緣體、界面是導(dǎo)體的拓?fù)浣^緣體這種量子物態(tài)新材料的出現(xiàn),讓這個矛盾的要求有了實現(xiàn)的可能。從2008年起,張守晟等理論物理學(xué)家提出了用磁性拓?fù)浣^緣體實現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)的方案。
薛其坤說:“這是理論物理學(xué)家給我們畫出的櫻桃。山頂可能有櫻桃,但到底有沒有,不知道。"
山路險阻曲折,如何才能為一個并不確定的目標(biāo)付出艱苦執(zhí)著的努力?“我們可以朝這個方向努力,能達(dá)到目標(biāo)更好,但在前往這個目標(biāo)的過程中,本身就有很多收獲。我們可能看到新的風(fēng)景,也可能在半山發(fā)現(xiàn)桃樹,摘到桃子。"薛其坤的答案十分豁達(dá)。
對于豁達(dá)而又努力的人,現(xiàn)實常常回報給他們驚喜。
清華大學(xué)的薛其坤、王亞愚和中科院的馬旭村、呂力這4個各有所長的實驗小組,花費了4年多時間,用“分子束外延"方法,做出了融合4種元素的高純度單晶材料,zui終取得了的實驗結(jié)果。事后統(tǒng)計顯示,實驗團(tuán)隊總共做了超過1000次磁性摻雜的樣品測量,在生長階段就失敗而沒拿去測量的樣品則根本無法計算。
這個實驗需要極其精密的材料生長控制技術(shù),做了20多年分子束生長的薛其坤提供了的技術(shù)儲備:2002年初,薛其坤等人曾開創(chuàng)過一個融合分子束外延設(shè)備、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜三種實驗設(shè)備的聯(lián)合系統(tǒng),該系統(tǒng)的發(fā)展和熟練運用,對拓?fù)浣^緣體材料的精密控制起到重要作用。
他們不但摘到了山頂?shù)臋烟?,也摘到了半山的桃子。薛其坤說:“在實驗過程中,我們發(fā)現(xiàn)了摻磁拓?fù)浣^緣體的一些特殊規(guī)律,可用于其性質(zhì)調(diào)控。還觀察到一些新的有趣現(xiàn)象,如零量子電阻平臺,這是理論物理沒有預(yù)見的地方。"
“摘到櫻桃的一剎那zui激動人心,但我們要享受爬山的每一個階段。"事實上,1963年出生于山東省蒙陰縣的薛其坤,本來就曾是一名沂蒙山區(qū)里長成的少年,爬山對他幾乎是本能,而爬山所需的堅韌與豁達(dá)則是刻入他的基因。
他曾連續(xù)考研3年才考中。1984年在山東大學(xué)本科畢業(yè)后,他被分配到曲阜師范大學(xué)當(dāng)助教,邊工作邊考研。回憶起當(dāng)初的失利,他笑道:“我是山里出來的孩子,考不上不算打擊。"
“7-11"院士的快樂觀
35歲晉級教授,41歲成為中國科學(xué)院院士,50歲攻克量子世界難題。薛其坤的科研道路粗看平順,細(xì)察卻不乏挫折。
考入中科院物理所當(dāng)研究生后,他的科研道路也并非坦途。1990年碩士畢業(yè)時,已經(jīng)有了家庭和孩子的薛其坤選擇了繼續(xù)讀博。
1992年,日本東北大[微博]學(xué)教授櫻井利夫來中國訪問,要從中科院挑選中日聯(lián)合培養(yǎng)的博士生,薛其坤獲得了去日本東北大學(xué)留學(xué)的機(jī)會。
這是薛其坤學(xué)術(shù)生涯的一個重要轉(zhuǎn)折點,然而這個轉(zhuǎn)折點卻充滿汗水和磨難。
櫻井利夫的實驗室被稱為“7-11"實驗室,學(xué)生每天早七點之前必須到實驗室簽到,晚十一點以后才能離開,中午無午休,僅有吃飯時間。
在被“7-11"魔鬼式作息制度折磨的同時,薛其坤還要忍受不懂日語的精神折磨。由于聽不懂導(dǎo)師指令,他經(jīng)常受到導(dǎo)師嚴(yán)厲指責(zé)。導(dǎo)致導(dǎo)師和同學(xué)們一起做實驗時,他不敢碰儀器,只在一邊怔怔地看。
不少去日本學(xué)習(xí)的同學(xué)*這樣的煎熬,“逃"了回去。薛其坤卻從剛上學(xué)的兒子里背給他聽的課文里找到了力量:“我是中國人,我愛自己的祖國……"
他選擇留下來,為中國人爭口氣。他每天*個到實驗室,zui后一個離開。漸漸地,導(dǎo)師的話能聽懂了,實驗儀器也會操作了,憑借扎實功底和超常付出,他zui終在世界*學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文,順利拿到博士學(xué)位。
1996年,薛其坤開始在物理界嶄露頭角。1999年,他入選中科院“百人計劃",回國工作。
回國十多年間,無論在中科院還是在清華,他都保持著“7-11"作息。清華大學(xué)物理系前系主任朱邦芬院士說:“我曾與其坤一起出差,晚上12點回到北京,他仍堅持要去實驗室再看看。"
常年“7-11",世人以為苦,薛其坤卻以之為樂?!爱?dāng)發(fā)現(xiàn)一個物理現(xiàn)象跟平常不一樣時,我會試圖去解釋它,就像讀一本偵探小說,確定嫌疑人,推導(dǎo)出他到底怎么做的,根本停不下來,非得看完才能去睡覺。"薛其坤說,科學(xué)探秘,就像偵探解謎一樣有趣,當(dāng)你深入其中,就會獲得巨大快樂。
“錢學(xué)森之問"的新期待
薛其坤是學(xué)術(shù)圈里*的高情商科學(xué)家。他總是善于找到*的合作伙伴,也知人善任,讓每一個人人盡其用。比如量子反?;魻栃?yīng)的科研團(tuán)隊中,馬旭村、陳曦、王亞愚、何珂等年輕科學(xué)家都非常,而且都zui大程度地釋放出了創(chuàng)造力。
“科學(xué)家不僅需要有智商,也需要有情商?,F(xiàn)在的科學(xué)研究,尤其是科學(xué)實驗,都需要團(tuán)隊作戰(zhàn)。此外,情商高也有利于學(xué)術(shù)交流,有利于培養(yǎng)學(xué)生。"作為教授,薛其坤在培養(yǎng)學(xué)生時,除了嚴(yán)格要求他們的基本功,也十分重視情商的培養(yǎng)。
“要從本質(zhì)上培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作能力,你要學(xué)習(xí)和人打交道,你要在儀器上和很多人一起合作,要學(xué)會怎么做科學(xué)研究。"薛其坤經(jīng)常如此教育學(xué)生,“未來,當(dāng)你從執(zhí)行者變成指揮者的時候,你會發(fā)現(xiàn)學(xué)會做這類高水平科研是更重要的,比發(fā)論文重要。"
常翠祖的經(jīng)歷印證了這一判斷。他是薛其坤的一名博士,量子反?;魻栃?yīng)實驗成功后,他博士畢業(yè),去美國麻省理工學(xué)院(MIT)當(dāng)博士后,幫助MIT的研究組重復(fù)了量子反?;魻栃?yīng)的實驗結(jié)果,成為一名“準(zhǔn)指揮者"。MIT的教授對常翠祖的工作非常滿意,在薛其坤赴美開會時,特地請他吃飯,感謝他培養(yǎng)出了*人才。
“為什么我們的學(xué)??偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才?"這是錢學(xué)森在2005年曾提出的沉重問題。現(xiàn)任清華副校長的薛其坤,對這個問題持有樂觀的態(tài)度,并寄厚望于現(xiàn)在的年輕學(xué)子。
“解答‘錢學(xué)森之問’的癥結(jié)在于時間。科學(xué)來不得半點馬虎,人才培養(yǎng)也要循序漸進(jìn),不能躍進(jìn)。我這一輩人接受正規(guī)的系統(tǒng)科學(xué)訓(xùn)練已經(jīng)很晚,需要比別人更加刻苦才能彌補(bǔ)這個差距。但現(xiàn)在的孩子們不一樣,他們智力水平高,又從小受到了完整科學(xué)訓(xùn)練,我國這些年對科研的投入也遠(yuǎn)非從前可比,*的實驗室和科研團(tuán)隊會越來越多。"薛其坤認(rèn)為,只要我們國家的發(fā)展勢頭保持下去,跟國外站在同一個起跑線上的新一代研究者,未來就將作出更大貢獻(xiàn)。
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