2023年度国家最高科技奖得主薛其坤:在物理学前沿长跑

2023年度国家最高科技奖得主薛其坤:在物理学前沿长跑
2024年06月24日 20:01 齐鲁晚报-齐鲁壹点

人物小传:薛其坤,实验物理学家。1963年12月生,山东蒙阴人。1984年在山东大学获得学士学位,1994年在中国科学院物理研究所获得博士学位。先后在中国科学院物理研究所、清华大学、南方科技大学工作,2005年当选为中国科学院院士,是改革开放后我国成长起来的杰出科学家之一。

薛其坤在清华实验室。

早上7点到实验室、晚上11点离开,薛其坤因其规律的工作安排,被大家称为“7—11先生”。这样的作息,他雷打不动坚持了30多年。

薛其坤的研究领域是凝聚态物理,是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系的学科,是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。在这一领域,他率领团队不断突破,创造性地发展一系列国际通用的强大实验技术,取得量子反常霍尔效应、界面高温超导等原创性科学发现。每一项成果都很重大、每一个都是难啃的“硬骨头”。

不断攀登高峰,动力何来?“对科学研究的热情与执着,对推进国家科技进步的职责和信念,促使我努力向前。”他回答。

在认知范围内,挑战最难的、有价值的研究

“不跟风,专注于做‘从0到1’的研究”,薛其坤的合作者、学生,都对他的科研品位印象深刻。

量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应,由于其存在不需要外加磁场,在推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展上,更具应用前景,成为全球凝聚态物理学家关注的焦点。

从2009年起,薛其坤领导的联合团队,对量子反常霍尔效应的实验发起冲击。虽然,团队前期完成了很好的基础工作,但量子反常霍尔效应出现的实验条件非常苛刻,实现极为困难。能否找到合适的材料,在这种材料中又能不能观测到量子反常霍尔效应,一切都是未知数。

薛其坤与团队部分成员合影(摄影:许德刚)。

认准这座科研高峰,薛其坤义无反顾地去攀登。

先后生长测量了1000多个样品、一步步提高样品质量,2012年底,薛其坤团队终于成功在实验中观测到量子反常霍尔效应。这是反常霍尔效应提出131年后,首次观测到反常霍尔效应的量子化。2013年,该成果很快在《科学》杂志上发表,被审稿人称为“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

在认知范围内,挑战最难的、有价值的研究,贯穿薛其坤做科研的始终。

1999年,薛其坤回国,在中国科学院物理研究所建立研究团队和实验室。他创造性地将多种精密实验手段互联于一个超高真空系统,解决了低维量子材料对环境污染极其敏感的关键问题。

利用该独特技术,他领导团队在半导体表面的量子薄膜、纳米结构的控制生长和量子尺寸效应研究上,很快取得一系列国际领先的研究成果。该技术也成为国际通用的强大实验技术,被近百家研究组采用。

2005年到清华大学工作,带着“做点更大的事”的想法,薛其坤瞄准长期困扰物理学界的难题——高温超导。经过多年摸索,2012年,他带领团队发现了单层铁硒与钛酸锶衬底结合而产生出的界面高温超导。该发现挑战主流共识,增进了科学界对超导材料的认识,国际超导界开展大量追踪研究。这是高温超导领域,我国科学家开辟的全新研究方向。

在薛其坤看来,挑战难题关乎科学精神培养。他曾以做菜打比方教导学生:学会了红烧肉是进步,但之后再做红烧鱼、红烧海参等红烧类菜肴,就没多大意思,做研究、写文章同样如此。他认为,做重要问题都要大功夫,几个月就能做出来的,通常不是有分量的工作,也难以锤炼学生的精神品质。

薛其坤与学生讨论实验工作。(摄影:李宙)

薛其坤的博士生、清华大学副教授冯硝对此深有感触。拜入门下,薛其坤就告诉她:“来我这读博士,不是为了发文章,而要在专业领域做重大意义的工作。”多年之后,她感激:薛老师是对的。

薛其坤没有躺在功劳簿上。2017年,团队将量子反常霍尔效应观测温度提高了一个数量级,并首次实现量子反常霍尔效应多层结构;2018年,团队与合作者首次发现一种内禀磁性拓扑绝缘体,开启了国际上又一个热点研究方向……

今天,沿着量子反常霍尔效应以及相关量子态的应用研究、高温超导机理研究两个方向,薛其坤团队正开展攻关。“这是国际凝聚态物理领域最关注的研究方向,我们要努力站在世界前沿。”他说。

日复一日与样品、数据打交道,是快乐和享受

理论物理学家的预言对不对,往往需要实验物理学家长时间去验证。优秀的物理直觉、坚韧的投入,两者缺一不可。

做量子反常霍尔效应实验,薛其坤团队用来实验的样品,是用分子束外延技术一层一层长的,仅有5纳米的厚度,相当于头发丝的十万分之一,每制备一个都非常不易。这样的样品,4年中,他们做了1000多个。

实验失败是家常便饭。每次失败后,薛其坤就会再次带领团队优化样品、改进方法。再失败、再优化、再改进,一路上“升级打怪”,直至实验成功。

2012年初,从理论上看,团队似乎解决了所有能想到的问题,然而,量子反常霍尔效应的实验结果离最终的成功还非常遥远。团队成员、清华大学物理系教授何珂回忆,那段时间大家压力很大,付出了这么多努力,“担心研究就此停滞不前”。

关键时刻,薛其坤给团队打气,讲述科研中追求极致、经受磨练的重要性。他常用自己“做针尖”的故事鼓励团队。攻读硕士期间,薛其坤用到的实验仪器是场离子显微镜,样品是金属针尖。他在导师的严格监督下,每天至少要试做3个针尖,两年做了1000多个针尖。其间虽没有发表任何文章,但熟练掌握的实验技术,对后续工作帮助很大。

薛其坤(右三)和团队在实验室庆祝。

薛其坤认为,只要踏踏实实、安下心来做东西,任何付出最终都会有收获。薛其坤的执着和激情感染了团队,一轮轮冲刺,最终实现了突破。

熟悉薛其坤的人都知道他“7—11”的生活,有学生曾经心里较劲,“想趁着自己年轻,和薛老师比一比,看谁先到实验室,谁最后一个离开”,但多年来几乎没人能赢。与薛其坤一起出差,清华大学物理系教授、主要合作者王亚愚敬佩:“回到北京已经晚上10点多了,奔波了一天,薛老师仍坚持要去实验室再看看。”

生长于山东蒙阴县的山村,薛其坤说,自己是沂蒙山里出来的孩子,不怕挫折,“皮实”。他说,自己打小便想当科学家,一路追梦,也遇到不少挫折。

他多次提及自己考研经历。大学毕业,第一次考研究生,高等数学39分,惜败。毕业后,到曲阜师范大学教书,再次考研,再次败北。直到1987年,才终于考上研究生,进入中国科学院大学物理研究所凝聚态物理专业学习。

在实验室,日复一日与样品、数据打交道,薛其坤不以为苦,而以此为快乐和享受。他说,每当实现重大突破的时候,那种满足感是其他事情很难替代的。受他感染,越来越多的团队成员品味出做科研的魅力,力争把实验做完美,在物理学前沿长跑。

今天,作为实验物理学家,在凝聚态物理领域,“皮实”的薛其坤已经享有国际声誉。2013年起担任清华大学副校长,2020年起任南方科技大学党委副书记、校长,身兼科学研究、人才培养、行政管理等多项职责,无论角色怎么变,他“7-11”的作息没有变,对科研的极致追求也没有变。

他说,“夜深人静时,与自然界、与文章打交道,那种感觉很纯粹、很幸福。”

报效祖国、回报人民是最好的答卷

实现量子反常霍尔效应,材料需要既具备磁性又是绝缘体,由于磁体通常为导体,这是一个自相矛盾的要求。

说来也巧,在王亚愚眼中,一些看似矛盾的地方,也完美融合在薛其坤身上。

薛其坤对学生和蔼亲切,他会给实验室学生带夜宵,与学生们打成一片、谈天说地,天马行空聊技术、谈想法,看到学生在实验操作上一点马虎,他又会严厉批评,严肃告诫学生做实验必须专心致志,否则一个小细节不注意,都会导致测量结果不准确。

他爽朗豪气,大大咧咧,像是什么都不在乎,但把实验仪器看得非常重,说起仪器两眼放光。他常说,这些仪器很昂贵,不好好用不仅浪费时间,也浪费科研资源。

薛其坤在办公室。(摄影:李派)

薛其坤身上有中国人很传统的一面,但作为科学家他却处处求“新”,甚至有点“离经叛道”。王亚愚回忆,与薛其坤讨论科学问题时,与一般人想清楚了再做不同,他反而觉得“要想清楚了就不做了”。对待研究,他倡导独立思考,对与主流学术认识不一致的观点很有兴致,似乎像一位“搅局者”,总希望给科研带来一些意外。

他的同事评价,这些与通常不一样的认识,是薛其坤常有科学发现的重要原因。而说起功劳,薛其坤总强调,现代科学研究是团队合作的结晶,没有多个优秀实验团队紧密高效合作,不可能有量子反常霍尔效应等重大原创突破。

薛其坤非常看重对学生的培养。清华大学物理系教授、党委书记肖志刚说,碰到写文章不太认真的学生,薛老师会要求学生把论文改10遍,且每一个版本都发给他。他会一一对照其中的差别,倒逼学生精益求精的态度。这一招,如今,被肖志刚用在了自己学生的培养上。

学生科研遇到困难,他又会及时鼓励,夸赞“你们已经很厉害”,并教导他们多去与同学、师长交流,在讨论中成长。他收获了丰硕的教育果实:率领的团队成员或培养的学生中有1人当选中国科学院院士,30余人次入选国家级人才计划。

薛其坤与学生们讨论。(摄影:李派)

凭借在量子反常霍尔效应方面的创新突破,2023年10月,美国物理学会宣布,薛其坤获得奥利弗•巴克利奖。自1953年授奖以来,这项国际凝聚态物理领域的最高奖,首次颁发给中国籍物理学家。此前,薛其坤已作为第一完成人荣获2018年度国家自然科学奖一等奖,并获得国际低温物理最高奖——菲列兹•伦敦奖。像这样有分量的荣誉,薛其坤还有不少。

从沂蒙山区走出,一路成长为国际知名科学家,薛其坤感慨:是改革开放为中国科学走向世界奠定了非常好的基础,给中国科学家造就了一个做科研的黄金时代。受邀到国际会议上作报告,让中国人的创新成就得到国际认可,他既感到自豪,也体会到肩上沉甸甸的责任——中国产出的原创成果还比较少,需要努力的事还很多。

他认为,今天,科研条件、环境已经今非昔比,中国人要有学术自信,要敢于去挑战重大科学难题。解决重大科学难题,解决核心技术难题,是科技工作者报效祖国、回报人民最好的答卷,也是中国科学真正走向世界中心的关键标志。

他确信,在量子科技基础研究上,中国无论是人才质量还是研究水平,目前都处于世界第一梯队,“未来,中国在量子科技领域将成为国际上的重要力量,这是年轻一代应该抓住的机遇。”

“我将尽己所能,做出自己的贡献。”他说。

(人民日报经济社会微信公号)

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