量子“足球場”上的“前衛(wèi)”

■致敬國家最高科學技術(shù)獎獲得者

他是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的著名科學家，取得了多項引領(lǐng)性的重要科學突破。他率領(lǐng)團隊首次實驗觀測到量子反?；魻栃?yīng)，在國際上產(chǎn)生重大學術(shù)影響；在異質(zhì)結(jié)體系中發(fā)現(xiàn)界面增強的高溫超導(dǎo)電性，開啟了國際高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的全新研究方向。

“一個人能走多遠？他的學術(shù)大廈能建成兩層樓、五十層樓還是數(shù)百層的樓？這很大程度取決于他基礎(chǔ)知識所筑就的地基?！弊鳛槭讉€獲得奧利弗·巴克利獎、菲列茲·倫敦獎的中國籍科學家，薛其坤兩次在諾貝爾論壇作特邀報告。

奧利弗·巴克利獎是國際凝聚態(tài)物理最高獎，菲列茲·倫敦獎是國際低溫物理最高獎，為何薛其坤能獲得這兩項大獎？正是由于薛其坤帶隊在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，取得了量子反常霍爾效應(yīng)和界面高溫超導(dǎo)等國際引領(lǐng)性重大科學突破。

6月24日，中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長薛其坤站上領(lǐng)獎臺，獲頒2023年度國家最高科學技術(shù)獎。

“國家的富強給科學家攀登科學高峰、沖擊世界科學問題，提供了強大支撐和良好條件。”薛其坤親身感受到，國家的改革開放等好政策，為他和一大批科學家創(chuàng)造了實現(xiàn)夢想的機會。

憑科研“金剛鉆”勇闖“無人區(qū)”

如何讓一個運動員，同時擁有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧？在實驗發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的過程中，薛其坤團隊就遇到了類似難題，因為他們要制備出磁性的、拓撲的、體絕緣的高質(zhì)量材料。

這種材料將成為勇攀凝聚態(tài)物理科研高峰的“登山杖”。從20世紀80年代初開始，一系列量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，開啟了拓撲量子物態(tài)這一新研究領(lǐng)域，為發(fā)展低能耗電子器件指明了新方向。然而20多年來，人們一直沒能在真實材料中，實驗發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。

面對眾多挑戰(zhàn)，薛其坤在2002年，帶隊將分子束外延、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜等多種互補的精密實驗手段，創(chuàng)新地互聯(lián)成一個超高真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)在量子材料原子尺度可控制備和表征方面，提供了國際通用的強大實驗技術(shù)，現(xiàn)已被國際上近百家研究組采用。

“物理學科發(fā)展至今，已很難在理論層面取得重大突破?！毖ζ淅ふJ為，在科研競爭中，要想跑贏很多更聰明、更勤奮的同行，搶先攬下實驗層面的“瓷器活”，需要潛心打好科學研究儀器這把“金剛鉆”。

清華大學物理系副教授馮硝曾是薛其坤的博士生，在參與高溫量子反常霍爾效應(yīng)課題攻關(guān)時，她將脈沖激光沉積技術(shù)與分子束外延設(shè)備結(jié)合，擴展了可探索的材料體系。

憑借超分子束外延—掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜超高真空聯(lián)合系統(tǒng)這把“金剛鉆”，薛其坤團隊可在原子尺度上精確控制薄膜生長，還能觀測薄膜的生長形貌、缺陷和電子結(jié)構(gòu)等。他們做出了高質(zhì)量拓撲絕緣體薄膜。從2009年起，薛其坤團隊與清華大學、中國科學院物理研究所、斯坦福大學的專家，強強聯(lián)合，對量子反常霍爾效應(yīng)進行艱難的實驗攻關(guān)。

團隊20多位研究生努力4年多，制備出1000多個樣品。歷經(jīng)無數(shù)次失敗、改進、創(chuàng)新，2012年底，薛其坤團隊在世界上首次于實驗中觀測到了量子反?；魻栃?yīng)。

這是當時已知的量子霍爾效應(yīng)家族成員中，最后一個被實驗發(fā)現(xiàn)的，也是唯一一個在中國發(fā)現(xiàn)的。這一研究成果有可能為未來信息技術(shù)革命開辟新賽道。如將量子反常霍爾態(tài)和超導(dǎo)態(tài)結(jié)合，所獲得的量子態(tài)，可解決量子計算研究中的關(guān)鍵問題，有可能使科幻電影中的超高算力計算機成為現(xiàn)實。

努力用一個突破點打開物理世界的“新天地”

薛其坤在年輕時喜歡踢足球。在他看來，踢足球和做物理學研究一樣，都需要有全局思維，找到戰(zhàn)略突破點。

“要解決物理學的重大科學問題，就需要了解物理學的過去、現(xiàn)在和未來，在洞察整體形勢以及自身研究優(yōu)勢后，才能把好方向、精準出擊?！毖ζ淅⒔缑娓邷爻瑢?dǎo)、量子反?；魻栃?yīng)等，作為團隊持續(xù)多年的主攻方向。

自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體以來，人們還沒發(fā)現(xiàn)常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)附近的新超導(dǎo)體系。按以往的理論和實驗，當超導(dǎo)材料變得很薄時，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一般會顯著降低。尋找高溫超導(dǎo)新材料，探求高溫超導(dǎo)機理，是整個物理學界最關(guān)注的問題之一，科學價值極大。

2008年，薛其坤帶隊利用異質(zhì)結(jié)界面，設(shè)計高溫超導(dǎo)體系。經(jīng)過持續(xù)攻關(guān)，2012年，薛其坤團隊在鈦酸鍶襯底上外延生長的單層硒化鐵薄膜中，發(fā)現(xiàn)了界面增強的高溫超導(dǎo)電性。這是1986年人類發(fā)現(xiàn)銅氧化物以來，在常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的超導(dǎo)體，也為解決高溫超導(dǎo)機理開辟了全新途徑，引起國內(nèi)外大量追蹤研究。

為何能帶隊屢獲重大科研突破？“作為團隊帶頭人，要在戰(zhàn)略上做好規(guī)劃，選準基礎(chǔ)研究的方向、重點。”薛其坤將海量閱讀、獨立思考、廣泛交流，作為科研人員提升判斷能力的訣竅。

“我們一線科研人員基本每天都要看最新的科學文獻等，我就要求學生認真翻閱文獻，看完之后不但要理解作者做了什么、得到了什么結(jié)果，還要反復(fù)思考，給自己多提幾個問題，例如這篇文獻給我最大的啟示是什么？”在薛其坤看來，看一篇文獻可能只需兩小時，但可能要花兩三天才能問出一個好問題。這有利于引導(dǎo)學生獨立思考，有效提高科研判斷能力。

通過讓學生做月度工作報告、課題進展報告等，薛其坤經(jīng)常引導(dǎo)學生從分析數(shù)據(jù)等日常實驗中跳出來，從更高遠的角度，去深入思考所攻關(guān)的科學問題。

將培養(yǎng)的人才作為最重要的科研成果

薛其坤曾把自己比為一條從沂蒙山區(qū)駛出的小船，“父母給了小船生命。小船有毛病了，導(dǎo)師幫他修修；方向不對了，導(dǎo)師給指導(dǎo)指導(dǎo)。我的學生賦予了小船更青春的生命……”

三位導(dǎo)師對薛其坤影響很大。讀研時，中國導(dǎo)師陸華教授教會他遵循基本規(guī)則；留學時，日本導(dǎo)師櫻井利夫教會他精益求精，美國導(dǎo)師David Aspnes引導(dǎo)他提升科學判斷力。

當成為師者，薛其坤非常看重學生的學習興趣和與人溝通的能力。在教導(dǎo)學生時，他多次強調(diào)，“要勤奮、認真、團結(jié)”。

“薛老師常說，單打獨斗難以完成重大科學問題，需要不同技術(shù)、領(lǐng)域的人合作，這樣研究成功的可能性就會更大。他就特別擅長把大家擰成一股繩?！瘪T硝也努力將薛其坤的教導(dǎo)，傳遞給自己的研究生們。

薛其坤培養(yǎng)了120多名博士生、博士后，并帶著他們一起追求極致。他帶領(lǐng)的團隊成員或培養(yǎng)的學生中，已有一人入選中國科學院院士，30余人次入選國家級人才計劃。薛其坤常把這視作他個人最成功的一點。

而科教融匯幫薛其坤及其學生練就了較強的科研能力。薛其坤認為，研究型大學也應(yīng)加強科學技術(shù)研究，并發(fā)揮好自身“五育”并舉的強項，培育更多創(chuàng)新人才。

薛其坤領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)了低維量子物理國家重點實驗室，這是清華大學理科第一個國家重點實驗室。擔任南科大校長后，他提出一流新型研究型大學發(fā)展的“三三五”方略，帶領(lǐng)學校成功入選“雙一流”。

“新型研究型大學最基本的特點，就是將科學研究和課堂教學融為一體?！毖ζ淅け硎?，南科大全力構(gòu)建科研能力突出的教師團隊，強化科教融匯，力求為國家高水平科技自立自強培育更多拔尖創(chuàng)新人才。

發(fā)掘和培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是項系統(tǒng)工程，高等教育難以獨立完成。“如果很多中小學校還將分數(shù)作為培養(yǎng)、評判人才的唯一標準，應(yīng)試教育的學科培訓(xùn)、學科競賽等仍大行其道，就會扼殺很多好苗子?！毖ζ淅娬{(diào)，沒有高質(zhì)輕負的基礎(chǔ)教育，就難以營造好拔尖創(chuàng)新人才紛紛破土而出的生態(tài)。

薛其坤通過開講座、擔任榮譽班主任等方式，參與“高中—高校貫通式人才培養(yǎng)模式”，并呼吁更多學校開展類似探索，“中小學校、幼兒園要在孩子們心中播下熱愛科學的種子，守護好孩子們靈動的天性、好奇的眼睛、創(chuàng)新的熱情和求知的初心”。

薛其坤最喜歡杜甫的《望岳》，他時常用這首詩勉勵自己和學生，“如果用‘蕩胸生曾云’的胸懷與境界去做科學研究，用‘決眥入歸鳥’的專注和洞察力抓住事物本質(zhì)，付出艱苦的努力和奮斗，總有一天你會登上更高的科學高峰，‘會當凌絕頂，一覽眾山小’”。

《中國教育報》2024年06月25日第3版