薛其坤：攻克量子世界制高点

■ 黄昉苨

尽管“贵”为清华大学物理系主任，在两个月前的清华校园，薛其坤还不是一个多么引人注意的角色。不止一个见过他的人表示，几乎听不懂这位中科院院士与别人随口说起的科研内容。

而事实上，他即将开启一个全新的时代。4月9日，由他领导的来自清华大学、中国科学院物理所与斯坦福大学的科学家们组成的团队宣布，他们从实验中观测到了量子反常霍尔效应。而这一发现甚至令年过九旬的诺奖得主杨振宁都激动了：“这是一个诺贝尔奖级的成果。”

对普通人而言，“量子反常霍尔效应”不仅是一个让人云里雾里的科学名词，还意味着某种科幻般的未来生活：若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，智能手机内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，除了超长待机时间，还将拥有当代人无法想象的快速。

美妙场面终实现

薛其坤团队的最新发现，在科学家眼中是一个极为美妙的现象。

在摆满仪器设备的实验室，清华大学物理系教授王亚愚试图通过一种通俗易懂的方式向外界解释他们的研究。他手持的笔记本电脑屏幕上播放着动画：一个透明的长方体物件内，许多玫红色小颗粒正在横冲直撞。

“如果这是一个一般的金属材料或者半导体材料，那里面的电子运动是非常无序的。它们杂乱无章，互相碰撞，这就引起电子器件的速度降低，而且会使能耗增大。”譬如，尽管有风扇“呼啦呼啦”地吹，工作多时的笔记本电脑却还是热得烫手，反应缓慢得像老牛爬坡。

但这些粒子可以被科学家们“管”起来，顺着一定规律在材料内老老实实地“排队跑步”。

“如果我们在材料上加一个非常强的磁场，电子运动就变得有规律了——它们在材料的两端，像高速公路上的汽车一样，这么反向运动，这时候，电子运动速度就变快了。”王亚愚解释说。

在上世纪80年代，这种量子霍尔效应被德国物理学家冯·克利青在研究极低温度和强磁场中的半导体时偶然发现。这一成果让他获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

只是，让肉眼都看不到的电子规律地运动需要极强的磁场，至少得是一个一人高、冰箱一般大小的设备。这运作起来非常麻烦，而且极其昂贵。

显然，这不是一件能走出实验室的“降温提速设备”。

这也就是为什么薛其坤的团队在实验中观测到的量子反常霍尔效应是这么重要、又是这么优美了：在零磁场中，材料的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值，并形成一个平台，也就是说，在微观世界中，那些原本乱冲乱撞的电子们正循着“高速公路”畅通有序地运动着。这一次，没有强大的磁场。

这一场面证实了科学界等待多年的预言。

“这是量子霍尔家族的最后一位成员。”一位美国科学家在《科学》杂志上撰文称，“不需要外磁场的量子霍尔态的实验观测，使人们终于能够完整地研究量子霍尔效应的三重奏了。”

▲薛其坤院士（左）与学生交流科研心得

“7-11”院士

在同行中，薛其坤有一个比“院士”更响亮的名号叫“7-11”：早上7点进实验室工作，一直干到晚上11点。这样的作息时间，他坚持了20年。

或许正是这种异于常人的勤奋与坚持，成就了他不平凡的科研之路，也让他在35岁时晋级教授，41岁就成为中国科学院最年轻院士之一。

其实，他并不是天才：大学毕业后一次次考研，第一次考哈尔滨工业大学，高等数学只考了39分，落榜；两年后报中科院物理所，物理考了39分，又落榜。

第三年，他终于考上了中科院物理所。但之后的几年里，这个大龄研究生“整天处在维修仪器的苦恼状态中”。当年，物理所的设备不灵光，常常做不了实验。就算一次次做实验，但得到的数据也总是对不上号。

直到全无日语基础的他被送往日本东北大学联合培养，生活才逐渐顺利起来。也正是在日本导师樱井利夫的要求下，他养成了“7-11”的工作习惯。起初，语言的不通、严苛的作息也曾让薛其坤感觉异常疲惫和孤单。但他咬牙坚持，实在疲倦了，还曾躲进厕所里眯一会儿。

留学经历还磨砺了薛其坤流利的“山东英语”：“俺没啥子能耐，别人上台不敢讲，俺胆子大，敢讲！”

与薛其坤有接触的人众口一词地描述说，这位科学家风趣幽默，精力充沛。他喜欢踢足球，爱看武侠小说。而他的研究生们则提到，这位导师每次出差后回北京的第一件事，就是去实验室看看有没有新发现，哪怕已经是晚上12点。

最最喜悦的一天

2012年10月12日晚上10点35分，薛其坤接到团队成员、博士生常翠祖的一条短信：“薛老师，量子化反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”那一天，距离霍尔最初发现这种电磁效应已130年有余，距离薛其坤的团队开始实验，也已整整4年。

在这4年里，薛其坤和他的团队先后尝试了1000多个拓扑绝缘体样品。

磁性拓扑绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的理想系统。要实现量子反常效应，对材料的要求非常高：这种材料必须具有拓扑特性，具有长程铁磁序，体内则必须是绝缘态。按科学家的解释，就好比要求一个人具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧。

在薛其坤的指导下，研究人员用于实验的拓扑绝缘体样品以“原子”为单位：在100万个原子中，只能有一个杂质原子。这1000多个不到小拇指指甲盖大小的特殊实验材料，都需要在超真空环境中慢慢长出来，它们的厚度必须是5纳米，高1纳米或低1纳米都不行。

分散在世界各地的实验团队成员，每天都通过电话和邮件交流实验结果，隔两三周就充分讨论实验的所有细节。

最终大家的付出得到了最丰厚的回报。实验测量到的数据是一条漂亮的曲线，与理想情况下量子反常霍尔效应的行为完美地吻合。

团队成员观测到的现象，是在接近绝对零度的极低温度下对拓扑绝缘体薄膜进行精密测量后获得的。也就是说，目前要谈论这种现象在生活中的实际应用，还为时过早。

但对为之付出多年努力的科学家们而言，这一结果已经足够令人惊喜。“这可能是我们人生中最最喜悦的一天。”薛其坤的合作者，斯坦福大学教授张首晟说。※