“人人那個都說沂蒙山好，沂蒙那個山上好風(fēng)光……”
伴隨著悠揚(yáng)的沂蒙山小調(diào)，中國科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長薛其坤，在今天（9月8日）下午的第八期“浦江科學(xué)大師講壇”上正式開講。
這位從沂蒙山區(qū)走出來的物理學(xué)家從未忘記故土。他說，正是簡樸艱苦的年少生活，賦予自己勤奮堅韌的品質(zhì)，使他能夠堅持“7-11”式工作模式30年，并支撐他在攀登科學(xué)高峰的路上一路前行。
作為當(dāng)代中國凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的杰出科學(xué)家，薛其坤以其在量子反常霍爾效應(yīng)和高溫超導(dǎo)電性研究中的開創(chuàng)性成就贏得了學(xué)界的廣泛認(rèn)可，獲得包括國家自然科學(xué)一等獎、國家最高科學(xué)技術(shù)獎、菲列茲·倫敦獎、巴克利獎等多項國內(nèi)外重要獎項。
上海市政協(xié)副主席吳信寶出席講壇并為薛其坤頒發(fā)“浦江科學(xué)大師講壇”主講人證書，復(fù)旦大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士金力主持講壇。上海市政協(xié)、市科技工作黨委、市科委、市教委、市科協(xié)、頂科協(xié)等單位負(fù)責(zé)人，上海市各高校、中學(xué)師生及科研人員代表出席活動。
從學(xué)術(shù)“富礦”中挖出新的“珠寶”
“超導(dǎo)是物理學(xué)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的富礦。”薛其坤介紹，過去113年里，共有五次諾貝爾物理獎授予超導(dǎo)研究的物理學(xué)家。
身為科研工作者，他喜歡這種“富礦”，因為這種領(lǐng)域不僅蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，更能考驗一個人的學(xué)術(shù)水平。
“超導(dǎo)體，首先必須是導(dǎo)體。導(dǎo)體電阻主要來源于原子振動對電子的散射。”薛其坤打了個形象的比喻：“溫度低的時候，原子就不大運(yùn)動了。就像一幫人做廣播體操，中間有一個人想穿過去，這些人如果一直亂走，人很難走過去；但如果這些人都停下來，這個人就能找到空隙走過去。也就是說，溫度越低，原子振動越弱，電阻就容易通過，所以超導(dǎo)一般會發(fā)生在低溫。”
溫度超過40K （零下233 °C）的超導(dǎo)為高溫超導(dǎo)。因此，在超導(dǎo)研究領(lǐng)域，提高超導(dǎo)體材料的臨界溫度（Tc）是關(guān)鍵。而霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，打開了我們認(rèn)識微觀世界的又一扇大門。
霍爾效應(yīng)指當(dāng)電流沿縱向通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時，如果薄片置于垂直方向的磁場中，就會在其兩側(cè)產(chǎn)生一個橫向電壓，即霍爾電壓。這是由于載流子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的。
而量子霍爾效應(yīng)，則是霍爾效應(yīng)的一種量子化版本。它是在強(qiáng)磁場下出現(xiàn)的一種特殊狀態(tài)，其中霍爾電阻呈現(xiàn)出量子化的階梯狀特征。量子霍爾效應(yīng)可以進(jìn)一步分為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，前者發(fā)生在二維電子系統(tǒng)中，后者涉及到了分?jǐn)?shù)激發(fā)態(tài)。
薛其坤提到，盡管霍爾效應(yīng)通常需要在極強(qiáng)磁場下才能觀察到，但早在1880年，霍爾就在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：即使不加外磁場，也可以觀測到霍爾電阻，這種在零磁場中的霍爾效應(yīng)被稱為反常霍爾效應(yīng)。
這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了另一個問題：既然存在量子霍爾效應(yīng)，那么是否也存在一個量子化的反常霍爾效應(yīng)版本？
量子反常霍爾效應(yīng)正是這樣一種現(xiàn)象，它不需要外加磁場即可觀察到量子化的霍爾電阻。在量子反常霍爾狀態(tài)下，材料表面的電子遵循著特定的軌跡運(yùn)動，形成所謂的邊緣態(tài)，這些邊緣態(tài)允許電子沿著特定的方向無散射地流動，從而大大降低了能量損耗。
“如果超導(dǎo)體中是所有地方的電阻都為0，那么量子霍爾效應(yīng)的材料就是內(nèi)部的電阻無窮大，而邊緣的電阻為0。”薛其坤解釋道。
回溯超導(dǎo)研究發(fā)展歷程后，科學(xué)研究究竟該怎么去定義？薛其坤分享了自己對科學(xué)研究的理解，把科學(xué)研究分成三個層次——“0到1”的發(fā)現(xiàn)、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。
“選擇研究方向至關(guān)重要。”他為青年研究人員給出建議，“如果是在這樣一個前沿方向上，你就可能有機(jī)會在原來巨人科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上再做出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”
“高溫超導(dǎo)探索的賽道，值得堅持下去”
如此重要的量子反常霍爾效應(yīng)，是怎么被發(fā)現(xiàn)的？
為驗證這一理論物理預(yù)言，2008年起薛其坤就開始帶領(lǐng)研究團(tuán)隊探索量子霍爾效應(yīng)在無磁場條件下的實現(xiàn)可能性。
量子反常霍爾效應(yīng)的實現(xiàn)條件極為苛刻，需要一種具備拓?fù)涮匦浴㈤L程鐵磁序和體內(nèi)絕緣態(tài)三個條件的超薄膜材料。
“這是一種三不像的矛盾體，三個矛盾點(diǎn)是，大部分鐵磁材料都是導(dǎo)電的，二維情形下很難實現(xiàn)鐵磁性，以及磁性和拓?fù)浜茈y做到共存。這就相當(dāng)于，你要制備出一種像‘三項全能運(yùn)動員’一樣的材料。”薛其坤說。
基于這些要求，薛其坤團(tuán)隊與王亞愚團(tuán)隊、呂力團(tuán)隊合作，實驗驗證篩選了一系列磁性拓?fù)浣^緣體。磁性拓?fù)浣^緣體是一類獨(dú)特的材料，它們在內(nèi)部是絕緣的，但在表面或邊緣展現(xiàn)出導(dǎo)電性，且這種導(dǎo)電性不受雜質(zhì)或缺陷的影響，正契合產(chǎn)生量子反常霍爾效應(yīng)的要求。
“在這項研究上，我們投入了四年多時間，制備了一千多種樣品，參與項目的學(xué)生就有二十多個人。”在一步步嘗試與優(yōu)化后，2012年12月，薛其坤團(tuán)隊終于在一種磁性拓?fù)浣^緣體，Cr摻雜的(Bi,Sb)?Te?薄膜上觀測到了完美的量子化平臺。這一成果標(biāo)志著首次在零磁場條件下觀察到了量子化的霍爾電阻，量子反常霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)了。
“這是觀測成功當(dāng)天我們團(tuán)隊拍攝的照片，用來紀(jì)念這項成果。”薛其坤笑著展示了自己與團(tuán)隊成員一起慶祝的照片。
2013年3月，這一突破性成果發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上，引起了國際物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。諾貝爾物理學(xué)獎得主楊振寧教授高度評價這一成果為“第一次從中國實驗室里發(fā)表的諾貝爾獎級的物理學(xué)論文”。
當(dāng)然，量子反常霍爾效應(yīng)還有許多值得進(jìn)一步研究。互動環(huán)節(jié)，中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授孫鑫提問：“在你們觀測到的量子反常霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上，能不能發(fā)現(xiàn)一個趨勢，更上一層樓，觀測到分?jǐn)?shù)的量子反常霍爾效應(yīng)？”
“這是該領(lǐng)域很多物理學(xué)家目前正在追逐的目標(biāo)。”薛其坤答道，“值得讓我們高興的是，去年開始在新的材料中已經(jīng)實現(xiàn)了分?jǐn)?shù)化的量子反常霍爾效應(yīng)，很多年輕研究者都在這個方向上取得了新的成績。”
還有學(xué)生向薛其坤請教：“新興的鎳基超導(dǎo)體能否給未來的科研工作帶來新的進(jìn)展？”薛其坤答，國內(nèi)外高校在這方面都做出了新的成果、突破，并鼓勵年輕人“一定不要有思想上的包袱，不要因為一些科學(xué)研究的理論或過去的一些結(jié)果的限制而阻礙了對未知的探索”。
“在元素周期表上的任何元素中，都有可能發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)，高溫超導(dǎo)的探索這個賽場是非常廣闊的，值得堅持下去！”他說。
“從年輕就要培養(yǎng)卓越的學(xué)術(shù)品味”
量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為薛其坤帶來了諸多贊譽(yù)，但他的工作目標(biāo)并不止步于此。
他在該領(lǐng)域還有其他研究方向：“第一個方向是實驗技術(shù)，包括分子束外延、掃描隧道顯微學(xué)、角分辨光電子能譜這些設(shè)備，都是我的研究對象。另一個方向是新的前沿問題，包括表面物理、拓?fù)淞孔討B(tài)、低維超導(dǎo)電性等。”
其中，液氮溫區(qū)的超導(dǎo)電性問題是薛其坤團(tuán)隊重點(diǎn)攻關(guān)的目標(biāo)，“上世紀(jì)八十年代開始，液氮溫區(qū)超導(dǎo)問題就進(jìn)入了學(xué)界的視野，但其原理是什么，現(xiàn)在還沒有科學(xué)家能很好地解釋，我們希望能在這一領(lǐng)域作出突破。2021年，我們就在這個方向發(fā)表了一篇重要的論文。”
談到支撐自己多年科研求索的內(nèi)生動力，薛其坤總會提起自己從沂蒙山區(qū)走出的人生經(jīng)歷。
“小時候，在沂蒙山區(qū)經(jīng)歷過的艱苦生活使我能經(jīng)受得住‘7-11’式工作模式的考驗。”他口中的“7-11”工作模式，就是每天12小時以上、每月26天以上、每年330天以上的高強(qiáng)度學(xué)術(shù)工作。堅持了三十年，這份異于常人的吃苦耐勞給他帶來了豐厚回報。
特殊的時代背景，也給薛其坤帶來了強(qiáng)大的使命感與責(zé)任感：“作為1977年恢復(fù)高考后的第四批大學(xué)生，我全程目睹了我國改革開放四十多年來的歷程。二十世紀(jì)八九十年代，我有過八年留學(xué)生活，這讓我深切感受到了我國與美國、日本等國的巨大差距，這樹立起了我科研報國的信念，驅(qū)使我不斷作出學(xué)術(shù)突破。”
“孟子曰：孔子登東山而小魯，登泰山而小天下。”薛其坤以登山為喻，闡釋心中的科研精神，“自然界的表現(xiàn)形式千奇百怪，難以捉摸。做科學(xué)也就像登山，只有勇于挑戰(zhàn)高峰，才能認(rèn)識自然、改造自然。我們應(yīng)該滿懷豪情，用無限的想象力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，登上科技之峰。”
作為南方科技大學(xué)校長，薛其坤同時強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)的重要性：“除了自己攀登的責(zé)任，我們也要為黨和人民培養(yǎng)出一批又一批的后輩登山者，回報自己的祖國。”
他寄語青年人要培養(yǎng)卓越的學(xué)術(shù)品味：“我認(rèn)為楊振寧先生是學(xué)術(shù)品味與科學(xué)直覺的典范。他從很年輕的時候起，就大量閱讀了各種優(yōu)秀的學(xué)術(shù)著作和論文，這為他后來所取得的成就打下了基礎(chǔ)。”
為此，薛其坤給了三點(diǎn)建議：“首先是多讀文獻(xiàn)，每篇文獻(xiàn)都有可學(xué)之處。其次是多請教人，每個人也都有過人之處。最后是多聽報告，每個學(xué)術(shù)報告都有創(chuàng)新之處。只要勤奮努力，日積月累，就能有所收獲。”
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