薛其坤：“抓”量子的“皮实”科学家

今年6月24日，当薛其坤斩获国家最高科学技术奖时，人们关注到他身上的“优越点”：年龄。从2000年颁发国家最高科学技术奖开始，直到今年之前，获奖人在获奖时的平均年龄大约是83岁。而薛其坤在尚未满61岁的时候就获得此项殊荣，实属“年轻”。

考了两次39分

1963年12月，薛其坤出生在山东省蒙阴县。恢复高考后的第三年，薛其坤走上了高考考场，物理满分100分，他考了99分。这个普普通通的农家子弟得以走出沂蒙山区，被山东大学光学系激光专业录取。

在山东大学的4年，尽管薛其坤没有缺席过一堂课，却不是班里学习成绩的佼佼者。本科期间，他获得的最高荣誉是：大二时与室友合写的一篇论文得了学校举行的五四青年节科学论文比赛一等奖。这大大激发了他从事科研的热情。

1984年，薛其坤大学毕业，怀着对科研的朴素向往，他决定报考研究生。然而，第一年考研，他的高等数学只得了39分。他毫不犹豫选择“二战”，这一次大学物理又得了39分。

两次39分的打击让薛其坤意识到自己在基础知识上的短处，将连续失败视作把基础知识打扎实的好机会。1987年，薛其坤“三战”终于成功，进入中国科学院物理研究所学习。

在这里，他的研究方向是凝聚态物理。这是一门研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间关系的学科，而场离子显微镜就是能够进入微观世界的“眼睛”。在导师陆华的带领下，薛其坤每天至少要试做3个场离子显微镜的样品针尖。两年下来，他做了1000多个针尖，“手艺”已臻化境。

1992年，薛其坤在导师的推荐下，作为中日联合培养博士生，前往日本东北大学攻读博士学位。日方的联合培养导师是樱井利夫，一位物理学界学术“大拿”的关门弟子，主要研究领域是1981年才发明的扫描隧道显微镜相关研究。

在樱井利夫的实验室，薛其坤经受了“早起晚归”的严峻考验。

首先遇到的是作息关。樱井利夫以严格著称，他的实验室被称为“7—11实验室”：每周6天，早上7点需到达实验室，当晚11点之前不允许离开。困意袭来时，为了使自己能头脑清醒地学习，薛其坤就“拧”自己的腿。实在顶不住了，他就跑到卫生间，坐到马桶上打个盹儿。其次是语言关。因为不懂日语，英语听力又差，薛其坤起初几乎听不懂老师们的指令，当老师们带着其他学生一起做实验的时候，他连碰都不敢碰，只能怔怔地看着。

背井离乡、工作高压、语言不通、不受待见……这让薛其坤感到前所未有地受挫，但他坚持了下来。他说，自己是在沂蒙山区长大的孩子，“皮实”。

“皮实”的薛其坤心里憋着一股劲：想要做出一个像样的科研成果，给推荐自己出国的导师和自己有个交代。为了这个目标，薛其坤每天只做三件事：“吃饭、睡觉、搞科研。”

在这严格的工作环境下，他学会了怎么做扫描隧道显微镜实验，掌握了分子束外延技术。接到第一个课题后一年半，薛其坤就取得了一个重要突破，这也是樱井实验室30年来的最大成果之一。就这样，薛其坤成了樱井实验室当之无愧的科研骨干。

博士毕业后，薛其坤先后在日本东北大学金属材料研究所和美国北卡罗来纳州立大学物理系工作。但国外的职位并没有让他安心，因为看到了中国与世界有着巨大的差距，薛其坤更加想回到祖国，“帮助国家做一点事”。

“山顶可能有樱桃”

1994年，中国科学院启动“百人计划”，朱日祥、曹健林、卢柯等14位杰出青年科学家率先回到祖国。1998年，在材料科学领域已颇有名气的薛其坤也入选该计划，回国进入中国科学院物理研究所工作。

2005年，薛其坤调入清华大学物理系任职，年底，42岁的他当选为中国科学院院士。不久后，他将目光投向了物理学的一个前沿方向：拓扑量子物态。

当时，芯片已然成为信息时代最重要的工具之一，是处理大量信息的“大脑”。在指甲盖大小的芯片里封装数十亿个晶体管，堪称人类最复杂的壮举之一。可是，当数据量指数性爆发，仅凭集成更多晶体管不再“一招鲜”，元器件的发热问题成为限制算力提升的瓶颈。

在材料中，电子的运动是高度无序的。电子和电子、电子和杂质会不断碰撞，产生电阻、发热等。如果给薄膜材料外加一个强磁场，电子有可能立即“规矩”起来，沿着边界不受阻碍地运动，这种有趣的现象叫作量子霍尔效应。1988年，美国的霍尔丹教授提出假设：在兼具自发磁化和电子态特殊拓扑结构状态下，有可能在不外加磁场的情况下产生量子霍尔效应。这就是量子反常霍尔效应。

多年来，量子反常霍尔效应如同一个传说中的“宝藏”，让各国物理学家魂牵梦绕，却没人能证明它真实存在。

2005年，一种新的概念——拓扑绝缘体概念被提出。科学家认为，在拓扑绝缘体薄膜中引入铁磁性，理论上有可能实现量子反常霍尔效应。

但找到这样的材料很难：它的边缘态能导电，内部又是绝缘体，还得具备磁性，而磁体通常为导电体，这是一个自相矛盾的要求。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”。

2008年，利用分子束外延生长等技术，薛其坤研究团队研制出了国际最高质量的拓扑绝缘体样品。

然而，能否在这种材料中观测到量子反常霍尔效应？何时能观测到？谁也不知道，很可能终其一生都无法完成。薛其坤说：“这是理论物理学家给我们画出的樱桃。山顶可能有樱桃，但到底有没有，不知道。”

2009年起，薛其坤团队开始对量子反常霍尔效应进行实验攻关。

一开始就不顺利，团队遭遇了长达1年多的瓶颈期，实验毫无进展，许多博士生觉得干不下去了。奇迹出现在2012年10月12日晚上10时35分。薛其坤收到学生常翠祖发来的一条短信：“薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”薛其坤不太敢相信自己的眼睛，立即打电话再三确认情况。可以确定的是，量子反常霍尔效应的迹象有了。

但严谨的科学精神告诉薛其坤，一次结果不能说明问题，需要用不同的样品多次重复实验。薛其坤团队又进行了两个月的集中测试和不断钻研。大功告成的那天是2012年12月16日，他们用一组十分漂亮干净的数据，观测到了量子反常霍尔效应。

2013年4月10日，量子反常霍尔效应成果发布会在清华大学举行，杨振宁对此予以高度评价：“从中国实验室里第一次发表出来了诺贝尔物理学奖级别的论文……是整个国家发展中的喜事。”

成果发布后，薛其坤团队受到曾经领先的部分国际同行对实验数据真实性的质疑。直到一年半后，日本和美国的2所国际著名高校研究团队相继复现了这一实验结果，证明了实验的可靠性，质疑才烟消云散。此时，全世界科学家纷纷对薛其坤团队的成果表达了高度赞赏。

看到“山顶上的樱桃”那一年，薛其坤不满50岁。他不常提及困难，而是常常说起感谢。他说自己是个“幸运儿”，“一艘从沂蒙山区驶出的小船”，乘着改革开放的春风，上了大学，赶上了科学的春天，最终取得了“从0到1”的突破，“没有国家的强大、经济的发展，这个实验是做不成的”。

薛其坤也是一名教育工作者。他2005年起任清华大学物理系教授，2013年担任清华大学副校长，2020年担任南方科技大学校长。近20年的教育工作让他桃李满园，跟着他读完博士、博士后的学生有120多名。薛其坤对此感到很骄傲，笑着说他们都能组成“一个连”了。

今年7月4日，在南方科技大学2024届本科生毕业典礼上，两名毕业生给薛其坤送上一只南方科技大学足球队签名的足球，表示要和薛校长“切磋球艺”。花甲之年，他忙得不亦乐乎，但他的身上看不出一点高强度工作带来的疲惫，而是展示出一种愉悦和从容。

这艘从沂蒙山区驶出的“小船”，仍在路上。

（摘自《环球人物》2024年第14期）