人物簡(jiǎn)介

薛其坤，1963年生，清華大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士。南方科技大學(xué)黨委副書(shū)記、校長(zhǎng)，北京量子信息科學(xué)研究院院長(zhǎng)，粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心主任。

薛其坤是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域著名科學(xué)家，取得多項(xiàng)引領(lǐng)性的重要科學(xué)突破。他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，在國(guó)際上產(chǎn)生重大學(xué)術(shù)影響﹔在異質(zhì)結(jié)體系中發(fā)現(xiàn)界面增強(qiáng)的高溫超導(dǎo)電性，開(kāi)啟了國(guó)際高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的全新研究方向。

2017年10月，清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，薛其坤（左三）與學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)工作。 苑潔攝

薛其坤（左一）在日本求學(xué)期間與導(dǎo)師櫻井教授合影。受訪者供圖

薛其坤（左）與大學(xué)同學(xué)合影。受訪者供圖

進(jìn)入信息時(shí)代，芯片已然成為處理信息的“大腦”。在指甲蓋大小的芯片裡封裝數(shù)十億個(gè)晶體管，堪稱人類最復(fù)雜的壯舉之一?？墒?，當(dāng)數(shù)據(jù)量指數(shù)性爆發(fā)，僅憑集成更多晶體管不再“一招鮮”，元器件的發(fā)熱問(wèn)題成為限制算力提升的瓶頸。而量子反常霍爾效應(yīng)，則提供了實(shí)現(xiàn)超高性能電子器件的可能性。

“超海量數(shù)據(jù)時(shí)代會(huì)對(duì)信息的存儲(chǔ)和處理提出極高的要求，需要一種完全創(chuàng)新的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)類似於超導(dǎo)、電阻等於零的無(wú)能耗輸運(yùn)?！蹦蹜B(tài)物理學(xué)家、清華大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤說(shuō)。

在材料中，電子的運(yùn)動(dòng)是高度無(wú)序的。電子和晶格振動(dòng)、電子和雜質(zhì)、電子和電子會(huì)不斷碰撞，產(chǎn)生電阻、發(fā)熱等效果。如果給薄膜材料外加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，電子有可能立即“規(guī)矩”起來(lái)，沿著邊界不受阻礙地運(yùn)動(dòng)，這種有趣的現(xiàn)象叫做量子霍爾效應(yīng)。假如能找到一種特殊材料，既有自發(fā)磁化，電子態(tài)又具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則有可能在不外加磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)。這就是量子反?；魻栃?yīng)。

多年來(lái)，量子反?；魻栃?yīng)如同一個(gè)傳說(shuō)中的“寶藏”，讓各國(guó)物理學(xué)家魂?duì)繅?mèng)繞，卻沒(méi)人能証明它真實(shí)存在。

經(jīng)過(guò)數(shù)年探索，薛其坤團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子束外延的辦法，制備出世界上首個(gè)具有鐵磁性、絕緣以及有拓?fù)涮匦缘男缕嫖锢硇再|(zhì)材料的薄膜，首次在實(shí)驗(yàn)室找到了這個(gè)“寶藏”。

6月24日，薛其坤獲得2023年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

進(jìn)入“沒(méi)有賽道的競(jìng)技場(chǎng)”

1980年代，國(guó)際量子材料和物態(tài)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究迎來(lái)爆發(fā)式發(fā)展。整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了拓?fù)淞孔游飸B(tài)這一新研究領(lǐng)域，並為發(fā)展低能耗電子器件帶來(lái)了新的可能。

不過(guò)，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的外加磁場(chǎng)，這對(duì)其研究和應(yīng)用都帶來(lái)了極大困難。試想一下，如果運(yùn)行一枚具有量子霍爾效應(yīng)的芯片，需要配備一臺(tái)冰箱大小的強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器，誰(shuí)能接受？

2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者霍爾丹（F. D. M. Haldane）於1988年提出，有可能存在不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)體系。但他的假設(shè)離實(shí)際材料體系相距甚遠(yuǎn)。此后20多年裡，在真實(shí)材料中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的重大科學(xué)目標(biāo)之一。

2005年，拓?fù)浣^緣體概念被提出，科學(xué)家認(rèn)為，在拓?fù)浣^緣體薄膜中引入鐵磁性，理論上有可能實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。但要在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)卻極為困難。因?yàn)榉闯；魻栃?yīng)的量子化，需要材料的性質(zhì)同時(shí)滿足三項(xiàng)非常苛刻的條件：一是材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦?，從而具有?dǎo)電的一維邊緣態(tài)，即一維導(dǎo)電通道﹔二是材料內(nèi)必須具有長(zhǎng)程鐵磁序，從而無(wú)需借助外磁場(chǎng)而存在反常霍爾效應(yīng)﹔三是材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，隻有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實(shí)驗(yàn)中，想實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都很難，即使在理論上，能否同時(shí)滿足這三個(gè)條件也存在很大不確定性。因此，有人將這項(xiàng)全球?qū)嶒?yàn)物理學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)，形容為“沒(méi)有賽道的競(jìng)技場(chǎng)”。

從2008年起，薛其坤團(tuán)隊(duì)利用分子束外延生長(zhǎng)-低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡-角分辨光電子能譜相結(jié)合的獨(dú)特技術(shù)手段，開(kāi)始對(duì)拓?fù)浣^緣體開(kāi)展研究。他們首次建立了Bi2Te3家族拓?fù)浣^緣體的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，發(fā)展出嚴(yán)格控制材料組分的三溫度法，生長(zhǎng)出國(guó)際上質(zhì)量最高的拓?fù)浣^緣體樣品。該方法后來(lái)成為國(guó)際上通用的拓?fù)浣^緣體樣品制備方法。

隨后，他們首次利用角分辨光電子能譜，繪制出三維拓?fù)浣^緣體在二維極限下的電子能帶結(jié)構(gòu)演化。這項(xiàng)成果為基於拓?fù)浣^緣體薄膜的大量后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)。他們利用低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡技術(shù)，揭示出拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)性和朗道量子化等獨(dú)特性質(zhì)，在國(guó)際上產(chǎn)生了很大的學(xué)術(shù)影響。這一系列努力與成果，使我國(guó)在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域躋身國(guó)際領(lǐng)先行列。

在此基礎(chǔ)上，薛其坤將目光投向了量子反?；魻栃?yīng)?！皩?duì)於科學(xué)家來(lái)講，這是一個(gè)非常奇妙的物理現(xiàn)象，我們很希望把這個(gè)謎揭開(kāi)，看看它到底是不是存在。而且，在國(guó)家支持下，我們的相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)也達(dá)到了這個(gè)水平?！彼f(shuō)，“正可謂天時(shí)地利人和?！?/p>

2009年，薛其坤帶領(lǐng)量子反?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)入了“沒(méi)有賽道的競(jìng)技場(chǎng)”。

一條保存了12年的短信

“當(dāng)年薛老師找到我和幾位老師，說(shuō)國(guó)際上有理論預(yù)言，可以在磁性拓?fù)浣^緣體中尋找量子反?；魻栃?yīng)，並邀請(qǐng)我們一起攻關(guān)來(lái)發(fā)現(xiàn)這個(gè)效應(yīng)?！鼻迦A大學(xué)物理系教授王亞愚回憶，自己當(dāng)時(shí)立即被吸引了。

2009年，薛其坤團(tuán)隊(duì)與來(lái)自清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、美國(guó)斯坦福大學(xué)的合作者們，基於所獲得的高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜，開(kāi)始對(duì)量子反?；魻栃?yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)攻關(guān)。

攻關(guān)過(guò)程極為艱辛，面臨學(xué)術(shù)、技術(shù)以及路線等眾多復(fù)雜的問(wèn)題。薛其坤介紹說(shuō)，制備厚度約5納米的薄膜並不難，難的是要在原子尺度上控制摻雜的元素，更難的是要在電子層次上把結(jié)構(gòu)、材料和物理性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)理解清楚，為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)尋找方向。

在不斷摸索中，研究團(tuán)隊(duì)制備出組分、厚度均精確可控的三元拓?fù)浣^緣體薄膜，實(shí)現(xiàn)通過(guò)薄膜化學(xué)組分比例和電場(chǎng)效應(yīng)，調(diào)控拓?fù)浔砻鎽B(tài)的能帶結(jié)構(gòu)和薄膜的載流子類型與濃度。他們通過(guò)在該薄膜中摻雜磁性鉻原子，在其中建立了鐵磁序，以及垂直於薄膜面的易磁化軸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，他們共制備了1000多個(gè)樣品，最終獲得的材料可以兼具鐵磁性、絕緣性和拓?fù)湫?，是?shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想材料系統(tǒng)?！懊總€(gè)樣品從生長(zhǎng)到測(cè)量，至少需要三四天時(shí)間?！毖ζ淅ふf(shuō)，“大家把能力發(fā)揮到了極致，他們付出的努力令人驚訝?！?/p>

2012年初，工作遇到瓶頸?！八行枰臈l件我們似乎都已經(jīng)達(dá)到了，但是得到的結(jié)果離最終的成功還很遙遠(yuǎn)?！眻F(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)物理系教授何珂回憶說(shuō)。

薛其坤並不認(rèn)為這是失敗?！霸趯?shí)驗(yàn)上，如果我們達(dá)不到目標(biāo)，說(shuō)明我們的學(xué)術(shù)判斷不一定正確，這是一個(gè)提高學(xué)術(shù)能力的機(jī)會(huì)。在科學(xué)探索中，把不通的路找出來(lái)也是貢獻(xiàn)?！彼f(shuō)。

在他的鼓勵(lì)和開(kāi)導(dǎo)下，大家重新靜下心來(lái)，並決定轉(zhuǎn)變思路，做“減法”，逐一排除樣品中可能存在的各種問(wèn)題。

薛其坤的手機(jī)裡，至今保留著一條2012年10月12日收到的短信。

那是一個(gè)周五。當(dāng)晚值班的項(xiàng)目組成員常翠祖，看到了量子反?；魻栃?yīng)初步跡象，於是迅速給薛其坤發(fā)了短信?！澳翘煳一丶以缫稽c(diǎn)，大概十點(diǎn)半左右，剛停下車就收到消息?！毖ζ淅?duì)此記憶猶新，“當(dāng)時(shí)非常激動(dòng)，也很欣慰?！?/p>

“最初決定做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，其實(shí)我們有思想準(zhǔn)備，也許我們努力之后發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)並不存在?！毖ζ淅ふf(shuō)，“最終我們?cè)诨A(chǔ)研究中發(fā)現(xiàn)了這一科學(xué)規(guī)律。對(duì)於科學(xué)家來(lái)講，這是一種莫大的幸福。”

努力推動(dòng)成果應(yīng)用

量子反?；魻栃?yīng)是新中國(guó)成立以來(lái)我國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的重要科學(xué)效應(yīng)之一，是中國(guó)物理學(xué)界對(duì)世界物理學(xué)發(fā)展作出的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。

“這個(gè)成果的產(chǎn)生，應(yīng)該是對(duì)國(guó)家、人民長(zhǎng)期大力支持的回報(bào)。”薛其坤表示。

成果發(fā)表后，產(chǎn)生了巨大的國(guó)際學(xué)術(shù)影響，得到了楊振寧等著名物理學(xué)家的高度評(píng)價(jià)。薛其坤於2014年、2022年兩次受邀在由諾貝爾基金會(huì)發(fā)起的諾貝爾論壇作特邀報(bào)告，還在2014年國(guó)際分子束外延大會(huì)、2014年國(guó)際半導(dǎo)體物理大會(huì)等相關(guān)領(lǐng)域最有影響力的國(guó)際會(huì)議上作大會(huì)特邀報(bào)告。

該成果也推動(dòng)了相關(guān)研究的快速發(fā)展。此后數(shù)年間，各國(guó)研究者通過(guò)對(duì)磁性拓?fù)浣^緣體材料性質(zhì)的改進(jìn)，將量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)現(xiàn)溫度從0.03開(kāi)爾文（K）提升到1開(kāi)爾文以上。美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)的國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)均開(kāi)展了基於量子反?；魻栃?yīng)的電阻量子標(biāo)準(zhǔn)研究，量子反?；魻栯娮璧木_度已初步滿足應(yīng)用於電阻量子標(biāo)準(zhǔn)的條件。量子反?；魻栃?yīng)還在超冷原子系統(tǒng)、內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角石墨烯、轉(zhuǎn)角過(guò)渡金屬硫化物系統(tǒng)中被觀測(cè)到。如今，量子反?；魻栃?yīng)相關(guān)研究已成為國(guó)際物理學(xué)發(fā)展最快的研究方向之一。

薛其坤團(tuán)隊(duì)也在相關(guān)研究中不斷取得新成果，繼續(xù)引領(lǐng)著該方向的國(guó)際學(xué)術(shù)進(jìn)展。他們與合作者在2018年首次發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4，這種材料具有規(guī)則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實(shí)現(xiàn)更高工作溫度的量子反?；魻栃?yīng)，從而使其能在電子器件中應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了國(guó)際上一個(gè)新的熱點(diǎn)研究方向，近年已有科學(xué)家基於該材料，在30K溫度觀測(cè)到磁場(chǎng)輔助下量子反?；魻枒B(tài)存在的証據(jù)，進(jìn)一步增大了基於此材料實(shí)現(xiàn)高溫量子反?；魻栃?yīng)的希望。

“我們還要提高量子反常霍爾效應(yīng)的觀察溫度，尋找更便宜的材料，使它盡快應(yīng)用到實(shí)際中去。這是我們正在努力的方向?！毖ζ淅ふf(shuō)。

山區(qū)走出的戰(zhàn)略科學(xué)家

薛其坤曾自比為“一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船”。

1980年，他離開(kāi)老家山東省臨沂市蒙陰縣，考入山東大學(xué)光學(xué)系。他自我評(píng)價(jià)說(shuō)，自己當(dāng)時(shí)“不算特別努力，中規(guī)中矩完成了學(xué)業(yè)”。畢業(yè)那年，他沒(méi)考上研究生，工作兩年后又考，再次落榜。1987年，他考入中國(guó)科學(xué)院物理研究所，開(kāi)始了研究生學(xué)習(xí)。5年后，在導(dǎo)師陸華的幫助下，他作為中日聯(lián)合培養(yǎng)博士生，前往日本東北大學(xué)金屬材料研究所學(xué)習(xí)。

在日本的學(xué)習(xí)，給薛其坤帶來(lái)了兩大影響。一是使他養(yǎng)成了“7-11”工作習(xí)慣。他回憶說(shuō)：“在此期間，我第一次接觸到世界上最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和國(guó)際開(kāi)放的環(huán)境。這是非常難得的機(jī)遇，我很珍惜。因此每天早上7點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)離開(kāi)，以求用更長(zhǎng)的工作時(shí)間盡可能掌握更多實(shí)驗(yàn)技術(shù)?！倍撬饾u養(yǎng)成了極為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)科學(xué)研究態(tài)度。

1994年，薛其坤回國(guó)完成答辯，在中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，隨后繼續(xù)赴日本東北大學(xué)工作，並作為訪問(wèn)學(xué)者，在美國(guó)北卡萊羅納州立大學(xué)物理系做了一年的博士后。1999年，他回國(guó)，在中國(guó)科學(xué)院物理研究所擔(dān)任研究員。2005年起，他任清華大學(xué)物理系教授。

“在國(guó)外7年多時(shí)間，我看到了國(guó)家在科學(xué)研究上、國(guó)人在生活水平上，跟發(fā)達(dá)國(guó)家的巨大差距。”薛其坤說(shuō)，“這種經(jīng)歷堅(jiān)定了我想為國(guó)家多做點(diǎn)事的信念。我希望祖國(guó)在科技各個(gè)方面都變得強(qiáng)大，希望中國(guó)人活得更幸福、更有尊嚴(yán)。”

帶著這份信念，薛其坤投身於祖國(guó)科研事業(yè)，每天早上7點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)離開(kāi)。常有學(xué)生想跟他比比誰(shuí)能更早到、更晚離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，但沒(méi)人能像他那樣多年如一日地堅(jiān)持。

如今，他已成為我國(guó)在量子科技領(lǐng)域的杰出戰(zhàn)略科學(xué)家。除了量子反常霍爾效應(yīng)，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)界面增強(qiáng)高溫超導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重要突破，在國(guó)際上開(kāi)辟了高溫超導(dǎo)的全新研究方向。

在人才培養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)建設(shè)等方面，薛其坤同樣成果顯著。他的團(tuán)隊(duì)中已有1人當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士、30余人次入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃，共培養(yǎng)博士生、博士后120余名，為我國(guó)低維物理、量子材料領(lǐng)域建立了具有國(guó)際水準(zhǔn)的人才隊(duì)伍。

山區(qū)裡駛出的“小船”，如今已成為馳騁在科學(xué)海洋裡的“巨艦”，在潮頭浪尖領(lǐng)航。

(記者 付毅飛)

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