獲獎理由★
  “量子反常霍爾效應”,這是一個大多數人聽不懂的名詞。薛其坤和他的團隊卻以這個發現,正在興起一場實驗室內的革命。
  這個發現的意義,不僅僅像著名物理學家楊振寧先生評價的那樣,“是從中國的實驗室里,第一次發表出了諾貝爾獎級的物理學論文”,更為重要的是,薛其坤和他的團隊,讓中國科學家站在了下一次信息革命的戰略制高點上。
  薛其坤:占領下一次信息革命的制高點
  本刊記者/錢煒
  如今已是清華大學副校長的薛其坤,依然保留著山東人熱情好客的本色。一見到來訪者,他就張羅著煮咖啡、拿水果和糕點,並不時勸說,“很好吃,你嘗嘗啊!”談話間,他呷了一口手裡端的藍山咖啡,“這是我從國外特意買的。我就這麼一個愛好,非常喜歡咖啡。”實際上,他對咖啡的嗜好,正是泡實驗室時養成的習慣。
  吃苦耐勞,慷慨公正,是個公認的好人,薛其坤的同事、清華大學物理系教授王亞愚這麼評價他,“也只有薛老師才能匯聚起這麼多人,能去做這項研究。”
  王亞愚說的這項研究,指的是北京時間2013年3月15日《科學》雜誌在線發表的那項重要工作——薛其坤領銜的團隊在實驗中首次發現量子反常霍爾效應。這個發現的重要性普通人似乎很難判斷,但是從現年91歲的楊振寧的評價里,人們便能夠掂量出分量——在清華大學舉行的量子反常霍爾效應新聞發佈會上,這位在56年前獲得了諾貝爾獎的物理學家說,“這讓我想起很多年前接到物理學家吳健雄的電話,第一次告訴我在實驗室做出了宇稱不守恆的實驗,這個發現震驚了世界。今天,薛其坤及其團隊做出的實驗成果,是物理學領域最近幾年一個重大的成果,這不僅是科學界的喜事,也是整個國家的喜事。”
  量子反常霍爾效應
  2012年10月12日晚10點35分,薛其坤從實驗室回家剛把車停好,就收到學生常翠組的一條短信,“薛老師,量子反常霍爾效應出來了,等待詳細測量。”這是一個薛其坤等待已久的消息,他和他的團隊已經為此努力了4年多。他立即就撥通了常翠組的電話,詢問起詳情。作為一個富有經驗的實驗物理學家,薛其坤並沒有喜形於色,在簡短祝賀後,他強調讓大家仔細測量,反覆確認,以免結果有什麼差錯。
  如今,這條具有歷史意義的短信已經被薛其坤保存在電腦里。要理解他的這項研究,就需要從100多年前談起。
  1879年,美國物理學家霍爾發現,在一個通電導體中,如果施加一個垂直於電流方向的磁場,電子的運動軌跡將產生偏轉,從而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓,這就是著名的霍爾效應。上個世紀80年代,物理學家發現了神奇的量子霍爾效應。對此,王亞愚做了個比喻:普通狀態的電子是雜亂無章的,它們無序運動,不斷發生碰撞。而量子霍爾效應里的電子則好像置身在一條“高速公路”上,中間有隔離帶,將兩個方向的“車流”隔開。
  這也就是說,量子霍爾效應能解決電子碰撞發熱的問題,在量子計算、量子信息存儲方面有巨大的應用潛力,據此設計的新一代電子芯片,將會具有極低的能耗。然而,要投入實際運用,它卻有個麻煩無法解決——需要一個外加磁場。這個磁場不僅價格昂貴,而且體積龐大,不適合於個人電腦和便攜式計算機。
  這個問題,等到霍爾再次發現反常霍爾效應時,就有瞭解決的希望。所謂反常霍爾效應,即不加外磁場也可以觀測到霍爾效應。2008年,美國斯坦福大學的華裔科學家張首晟等人提出,在理論上,可以在拓撲絕緣體上實現反常量子霍爾效應。這說起來簡單,實際上,能夠製作出滿足實驗需求的拓撲絕緣體非常非常難。
  由於對張首晟和這個領域的相關工作很熟悉,再加上薛其坤最擅長的就是材料研究,2008年,薛其坤和他的團隊就打算朝著這一目標前進。所謂拓撲絕緣體,簡單地說,就是它的內部絕緣,錶面可以允許電荷移動。薛其坤研究的拓撲絕緣體材料,只有幾個納米厚。在清華物理系的實驗室里,記者用肉眼觀察,幾乎看不到這種材料的存在,只能看到培養皿里有一小片發灰的區域。“那一小塊就是我們生長的材料。”王亞愚解釋說。
  這樣的拓撲絕緣體,需要4種元素用一種叫“分子束外延”的方法一層一層生長起來。其中,4種原子如何配比,如何搭建結構,都十分複雜精妙。一開始,薛其坤和他的團隊沿著國際上其他幾個團隊類似的技術路線去走,用了一年的時間,卻總是失敗。於是,他們果斷放棄了常規路線,開始嘗試用不同的元素和不同的結構來生長材料。就這樣反反覆復大概試了1000多次,才最終找到最佳的元素搭配與結構。
  量子霍爾效應是一個物理上非常神奇的效應,此前,已經有兩組科學家因為研究這一問題而分獲了1985年與1998年的諾貝爾物理學獎。而薛其坤團隊在實驗中首次實現的反常量子霍爾效應,是量子霍爾效應家族裡最後一個有待發現的重要成員。
  眼下的反常量子霍爾效應是在零下273度中實現的,要想實現應用,就需要把溫度往上升,大概到零下200度,也就是液氮的溫度就有可能產生應用了。因此,這是眼下薛其坤的團隊在進一步追求的目標。
  勵志人生
  薛其坤的人生經歷,可謂是“知識改變命運”的最好註腳。對此,清華大學物理系前主任朱邦芬院士說,“其坤出生成長在貧困的沂蒙山區,少時的艱苦生活練就了他特別能吃苦的堅韌性格。他遇到過許多困難,但總是樂觀面對。”薛其坤自己則開玩笑地說,之所以要來北京讀研,是因為家裡困難,想在研究生畢業後能找個好工作改善生活。
  在山東大學本科畢業後,薛其坤被分配在曲阜師範大學當物理教師。儘管以“孔子故里”而著稱,曲阜在山東省並不算是經濟發達地區,曲阜師大的學生們畢業後當一名中學教師。為了改變命運,他和自己的學生一樣踏上了考研之路。在經歷兩次失敗後,他終於在第三次考研時取得成功,成為中科院物理研究所的研究生。
  儘管初期的求學之路走得不太順,但薛其坤一直很樂觀,用朱邦芬的話來說,“他的情商非常高”。過去的坎坷與今天的成就,竟然令薛其坤成為清華學生勵志教育的最佳案例,他常常給學生講述自己“過去的故事”。
  薛其坤人生的轉機出現在讀研期間。受導師委托,他負責接待一位來訪的日本教授,當時給對方留下了好印象。由於這個機緣,正在讀博士的薛其坤作為聯合培養博士生去了日本繼續讀博士。在物理所的訓練和在日本的學習為他如今在拓撲絕緣體方面的研究打下了堅實基礎。
  在日本的頭一年,由於語言不通,薛其坤背負了巨大的壓力。就是從那時起,他開啟了“7—11”模式生活,即每天上午7點就到實驗室開始工作,直到夜裡11點下班。長時間的工作,也使他養成了靠喝咖啡來提神的習慣。
  從日本回來後,薛其坤的學術之路開始走上正軌。從普通研究員做起,成為研究組組長、實驗室主任、首席科學家、清華大學物理系主任……並於2005年當選為中科院院士,又在今年成為“萬人計劃”中“傑出人才”的首批入選者。
  不過,薛其坤向《中國新聞周刊》記者解釋說,他現在已經不是“7—11”了,而是“8—12”,即上午8點開始工作直至夜裡12點。這是因為,他們所做的的量子物理實驗很容易受外界干擾,即使是外面道路上有車開過也會有輕微影響。因此,他們的實驗往往都要在晚上相對安靜的時候開展,所以他的生物鐘也跟著往後撥了一個小時。
  儘管出身寒門,薛其坤行事卻有大家風範。“我們去日本開會,薛老師拿自己的錢給學生髮零花錢。他手裡存不住東西,經常有哪個學生或者同事誇他的東西好,他當場就送給人家”,王亞愚用一種近乎驚嘆的語氣描述道。在科研中,他也是如此。“他從不強調自己的貢獻,而是強調團隊,出了成果有什麼獎勵,他也都儘量照顧年輕人,因此,薛老師能讓大家服他。”
  如今,已成為“領導”的薛其坤除了做科研、參加各種學術交流活動、主持項目申報和評審,還要參加學校的行政管理工作。這一切都需要時間。對此,他用坦率的語氣說,“我正在努力尋找一個支點,使得我在不減少科研工作有效性的同時,在別的方面也能做出貢獻。但是如果有一天,我發現行政工作影響了科研,我想,我會毅然決然地選擇辭去。” ★
  簡介:
  薛其坤,1963年生,清華大學副校長,中國科學院院士、材料物理學家。主要研究方向為掃描隧道顯微學、錶面物理、低維超導電性等。曾獲中國科學院傑出科技成就獎、求是傑出科技成就集體獎,今年獲“萬人計劃”傑出人才獎。由薛其坤院士領銜的科研團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破,是中國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現象,也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。
 
(編輯:SN054)
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