从沂蒙山到量子高峰：薛其坤的“登山哲学”

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上图：薛其坤院士在实验室指导学生们。

下图：薛其坤在演讲中鼓励年轻人努力提高自己的学术品味。 图片提供/复旦大学

自然界的表现形式千奇百怪，难以捉摸。做科学也就像登山，只有勇于挑战高峰，才能认识自然、改造自然。

记者｜陈冰

2024年6月，薛其坤荣获2023年度国家最高科学技术奖，这无疑是对他卓越学术成就的最高肯定。但他一如既往地谦虚低调，称自己为“一艘从沂蒙山区驶出的小船”。薛其坤的家乡是山东蒙阴县一个贫困山村，家中兄弟姐妹众多，生活条件艰苦。然而，贫穷并没有消磨他的意志，反而激发了他对生活的乐观和对知识的渴望。

在第八期“浦江科学大师讲坛”上，中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤深情回忆往昔，他说，正是简朴艰苦的年少生活，赋予自己勤奋坚韧的品质，使他能够坚持“7-11”式工作模式30年，并支撑他在攀登科学高峰的路上一路前行，收获满满。

作为当代中国凝聚态物理领域的杰出科学家，薛其坤以其在量子反常霍尔效应和高温超导电性研究中的开创性成就赢得了学界的广泛认可，获得包括国家自然科学一等奖、国家最高科学技术奖、菲列兹·伦敦奖、巴克利奖等多项国内外重要奖项。

在“浦江科学大师讲坛”结束之后，薛其坤接受了包括《新民周刊》在内的几家媒体专访，畅谈量子力学的发展前景、人才培养、科学家精神等热门话题。

从“富矿”中挖出新“珠宝”

“超导是物理学科学发现的富矿。”薛其坤介绍，过去113年里，共有五次诺贝尔物理奖授予超导研究的物理学家。

身为科研工作者，他喜欢这种“富矿”，因为这种领域不仅蕴藏着丰富的科学发现，更能考验一个人的学术水平。

“超导体，首先必须是导体。导体电阻主要来源于原子振动对电子的散射。”薛其坤打了个形象的比喻：“温度低的时候，原子就不大运动了。就像一帮人做广播体操，中间有一个人想穿过去，这些人如果一直乱走，人很难走过去；但如果这些人都停下来，这个人就能找到空隙走过去。也就是说，温度越低，原子振动越弱，电子就容易通过，所以超导也一般会发生在低温。”而温度超过40K（零下233℃）的超导体就被称为高温超导。在超导研究领域，提高超导体材料的临界温度（Tc）是关键。

另一方面，霍尔效应的发现打开了我们认识微观世界的又一扇大门。霍尔效应指当电流沿纵向通过导体或半导体薄片时，如果薄片置于垂直方向的磁场中，就会在其两侧产生一个横向电压，即霍尔电压。而量子霍尔效应，则是霍尔效应的一种量子化版本。它是在强磁场下出现的一种特殊状态，其中霍尔电阻呈现出量子化的阶梯状特征。薛其坤提到，尽管霍尔效应通常需要在极强磁场下才能观察到，但早在1880年，霍尔就在研究磁性金属的霍尔效应时发现了一个有趣的现象：即使不加外磁场，也可以观测到霍尔电阻，这种在零磁场中的霍尔效应被称为反常霍尔效应。

这一发现引发了另一个问题：既然存在量子霍尔效应，那么是否也存在一个量子化的反常霍尔效应版本？

量子反常霍尔效应正是这样一种现象，它不需要外加磁场即可观察到量子化的霍尔电阻。在量子反常霍尔状态下，材料表面的电子遵循着特定的轨迹运动，形成所谓的边缘态，这些边缘态允许电子沿着特定的方向无散射地流动，从而大大降低了能量损耗。

“如果超导体中所有地方的电阻都为0，那么量子霍尔效应的材料就是内部的电阻无穷大，而边缘的电阻为0。”薛其坤说，“超海量数据时代对信息的存储和处理提出极高的要求，需要一种完全创新的计算机，实现类似于超导、电阻等于零的无能耗输运。”

回溯超导研究发展历程，薛其坤选定了自己的“航向”——2005年，他加入清华大学物理系组建科研团队，搭建实验平台，瞄准物理学最前沿的研究方向，开始“没有跑道的赛跑”。

首次实验观测到量子反常霍尔效应，在国际上产生重大学术影响，被诺贝尔奖获得者杨振宁称为中国实验室里做出来的“诺奖级成果”；首次发现异质结界面高温超导性，开启了国际高温超导领域的全新研究方向……

经过多年耕耘，薛其坤带领团队取得多项引领性的重要科学突破。从0到1盖起第一层楼，助力中国量子科学研究跻身世界第一梯队。

薛其坤把科学研究分成三个层次——“0到1”的发现、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。

“选择研究方向至关重要。”他为青年研究人员给出建议，“如果是在这样一个前沿方向上，你就可能有机会在原来巨大科学发现的基础上再做出新的科学发现。”

努力与坚持的馈赠

“基础研究取得突破，绝非一日之功。相较于天赋，更多依靠日复一日的努力和坚持。”薛其坤说，再高深的学问也是在找到方向之后，一步一个脚印慢慢从基础向高深推进的。

那么，如此重要的量子反常霍尔效应，到底是怎么被薛其坤团队发现的呢？

为验证这一理论物理预言，2008年起薛其坤就开始带领研究团队探索量子反常霍尔效应实现的可能性。

量子反常霍尔效应的实现条件极为苛刻，必须具有拓扑特性，从而具有导电的一维边缘态，即一维导电通道；二是材料内必须具有长程铁磁序，从而无需借助外磁场而存在反常霍尔效应；三是材料体内必须为绝缘态，对导电没有任何贡献，只有一维边缘态参与导电。在实验中，想实现以上任何一点都很难，即使在理论上，能否同时满足这三个条件也存在很大不确定性。因此，有人将这项全球实验物理学家面临的巨大挑战，形容为“没有赛道的竞技场”。

“这是一种三不像的矛盾体，三个矛盾点是，大部分铁磁材料都是导电的，二维情形下很难实现铁磁性，以及磁性和拓扑很难做到共存。这就相当于，你要制备出一种像‘三项全能运动员’一样的材料。”薛其坤说，“在这项研究上，我们投入了四年多时间，制备了一千多种样品，参与项目的学生就有二十多个人。”

从2008年起，薛其坤团队利用分子束外延生长-低温强磁场扫描隧道显微镜-角分辨光电子能谱相结合的独特技术手段，开始对拓扑绝缘体开展研究。他们首次建立了Bi2Te3家族拓扑绝缘体的分子束外延生长动力学，发展出严格控制材料组分的三温度法，生长出国际上质量最高的拓扑绝缘体样品。这种方法后来成为国际上通用的拓扑绝缘体样品制备方法。

随后，他们首次利用角分辨光电子能谱，绘制出三维拓扑绝缘体在二维极限下的电子能带结构演化。这项成果为基于拓扑绝缘体薄膜的大量后续工作打下了基础。他们利用低温强磁场扫描隧道显微镜技术，揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化等独特性质，在国际上产生了很大的学术影响。这一系列努力与成果，使我国在拓扑绝缘体领域跻身国际领先行列。

2009年，薛其坤团队与来自清华大学、中国科学院物理研究所、美国斯坦福大学的合作者们，基于所获得的高质量拓扑绝缘体薄膜，开始对量子反常霍尔效应进行实验攻关。

攻关过程极为艰辛，面临学术、技术以及路线等众多复杂的问题。薛其坤介绍说，制备厚度约5纳米的薄膜并不难，难的是要在原子尺度上控制掺杂的元素，更难的是要在电子层次上把结构、材料和物理性质之间的内在关联理解清楚，为下一个实验寻找方向。

“每个样品从生长到测量，至少需要三四天时间。”薛其坤说，“大家把能力发挥到了极致，他们付出的努力令人惊讶。”即便如此努力，在2012年初，实验工作还是遇到了瓶颈。“所有需要的条件我们似乎都已经达到了，但是得到的结果离最终的成功还很遥远。”团队成员、清华大学物理系教授何珂回忆说。

薛其坤并不认为这是失败。“在实验上，如果我们达不到目标，说明我们的学术判断不一定正确，这是一个提高学术能力的机会。在科学探索中，把不通的路找出来也是贡献。”他说。

在他的鼓励和开导下，大家重新静下心来，并决定转变思路，做“减法”，逐一排除样品中可能存在的各种问题。在一步步尝试与优化后，2012年12月，薛其坤团队终于制备出世界上首个具有铁磁性、绝缘以及有拓扑特性的新奇物理性质材料的薄膜，首次在实验室找到了这个“宝藏”。

2013年3月，这一突破性成果发表在了《科学》杂志上，引起了国际物理学界的广泛关注。如今，量子反常霍尔效应已经成为国际物理学发展最快的研究方向之一。薛其坤团队也在相关研究中不断取得新成果，继续引领着该方向的国际学术进展。他们与合作者在2018年首次发现一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，这种材料具有规则排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能实现更高工作温度的量子反常霍尔效应，从而使其能在电子器件中应用。这一发现开启了国际上一个新的热点研究方向，近年已有科学家基于该材料，在30K温度观测到磁场辅助下量子反常霍尔态存在的证据，进一步增大了基于此材料实现高温量子反常霍尔效应的希望。

“我们还要提高量子反常霍尔效应的观察温度，寻找更便宜的材料，使它尽快应用到实际中去。这是我们正在努力的方向。”薛其坤说。

在演讲的互动环节，中国科学院院士、复旦大学物理学系教授孙鑫提问：“在你们观测到的量子反常霍尔效应的基础上，能不能发现一个趋势，更上一层楼，观测到分数的量子反常霍尔效应？”

“这是该领域很多物理学家目前正在追逐的目标。”薛其坤答道，“让我们高兴的是，去年开始在新的材料中已经实现了分数化的量子反常霍尔效应，很多年轻研究者都在这个方向上取得了新的成绩。”

还有学生向薛其坤请教：“新兴的镍基超导体能否给未来的科研工作带来新的进展？”薛其坤说，国内外高校在这方面都做出了新的成果、突破，并鼓励年轻人“一定不要有思想上的包袱，不要因为一些科学研究的理论或过去的一些结果的限制而阻碍了对未知的探索”。

“在元素周期表上的任何元素中，都有可能发现新的高温超导，高温超导的探索这个赛场是非常广阔的，值得坚持下去！”他说。

培养卓越的学术品味

量子反常霍尔效应的发现为薛其坤带来了诸多赞誉，但他的工作目标并不止步于此。

他在该领域还有其他研究方向：“第一个方向是实验技术，包括分子束外延、扫描隧道显微学、角分辨光电子能谱这些设备，都是我的研究对象。另一个方向是新的前沿问题，包括表面物理、拓扑量子态、低维超导电性等。”

其中，液氮温区的超导电性问题是薛其坤团队重点攻关的目标。“上世纪80年代开始，液氮温区超导问题就进入了学界的视野，但其原理是什么，现在还没有科学家能很好地解释，我们希望能在这一领域作出突破。2012年，我们就在这个方向发表了一篇重要的论文。”

谈到支撑自己多年科研求索的内生动力，薛其坤总会提起自己从沂蒙山区走出的人生经历。

“小时候，在沂蒙山区经历过的艰苦生活使我能经受得住‘7-11’式工作模式的考验。”他口中的“7-11”工作模式，就是每天12小时以上、每月26天以上、每年330天以上的高强度学术工作。坚持了30年，这份异于常人的吃苦耐劳给他带来了丰厚回报。

特殊的时代背景，也给薛其坤带来了强大的使命感与责任感：“作为1977年恢复高考后的第四批大学生，我全程目睹了我国改革开放40多年来的历程。20世纪八九十年代，我有过8年留学生活，这让我深切感受到了我国与美国、日本等国的巨大差距，这树立起了我科研报国的信念，驱使我不断作出学术突破。”

“孟子曰：孔子登东山而小鲁，登泰山而小天下。”薛其坤以登山为喻，阐释心中的科研精神，“自然界的表现形式千奇百怪，难以捉摸。做科学也就像登山，只有勇于挑战高峰，才能认识自然、改造自然。我们应该满怀豪情，用无限的想象力和严谨的科学态度，登上科技之峰。”

作为南方科技大学校长，薛其坤同时强调人才培养的重要性。他指出，学术品味和科学直觉和一个人的基础知识的掌握有直接关系，为此他寄语青年人要培养卓越的学术品味：“首先是多读文献，每篇文献都有可学之处。其次是多请教人，每个人也都有过人之处。最后是多听报告，每个学术报告都有创新之处。只要打好学术基础，勤奋努力，日积月累，就能有所收获。”（葛近文、张宁洁、殷梦昊对本文亦有帮助）

薛其坤

作为凝聚态物理领域的著名科学家，薛其坤取得多项引领性的重要科学突破。他率领团队首次实验观测到量子反常霍尔效应，在国际上产生重大学术影响；在异质结体系中发现界面增强的高温超导电性，开启了国际高温超导领域的全新研究方向。

2005年，41岁的薛其坤成为中国科学院最年轻的院士之一。因为在实验上发现量子反常霍尔效应，2020年度菲列兹·伦敦奖授予薛其坤。2023年他获得美国物理学会巴克利奖，这个被公认为国际凝聚态物理领域的最高奖，自1953年设立以来，首次颁发给中国籍物理学家。2024年薛其坤荣获2023国家最高科学技术奖。