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微观世界里的魔术师(逐梦英才)
日期:2015年05月31日      人民日报

  2012年10月12日晚10时35分,薛其坤院士至今清晰地记得这个时刻。“我从实验室回家刚把车停好,就收到学生常翠祖的一条短信,‘薛老师,量子反常霍尔效应出来了,等待详细测量。’”

  这一刻,距离美国物理学家霍尔提出反常霍尔效应已经过去133年,反常霍尔效应的量子化终于在中国实验室里得以实现。为了这一刻,薛其坤和他的团队已经努力了4年多。

  每年平均工作330天以上,每天平均工作15小时

  量子霍尔效应很神奇,薛其坤打了一个比方:“普通状态的电子是杂乱无章的,它们无序运动,不断发生碰撞。而量子霍尔效应里的电子则是有序运动的,好像置身在一条‘高速公路’上,中间有隔离带,将两个方向的‘车流’隔开。”

  这一效应在量子计算、量子信息存储方面的应用潜力是巨大的,能够解决电子碰撞发热的问题,据此设计的新一代电子芯片,将会具有极低的能耗。但要投入实际运用,需要外加一个磁场才能实现。这一磁场不仅价格昂贵,而且体积庞大,不适合于个人电脑等便携产品上的应用。

  这一难题在发现反常霍尔效应后,即不外加磁场也可以观测到霍尔效应,有了解决的希望。从2008年,张首晟等理论物理学家提出了用磁性拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应的方案。

  但在科学世界里,理论离现实的距离超乎常人想象。“一定要制作出满足实验需求的拓扑绝缘体!”2008年,薛其坤就开始带领着他的团队向这一高峰前进。

  拓扑绝缘体是一种内部绝缘,表面可以允许电荷移动的材料,只有几个纳米厚,如果用肉眼观察,培养皿里的拓扑绝缘体只是一小片发灰的芯片。“这样的拓扑绝缘体,需要4种元素用一种叫‘分子束外延’的方法一层一层生长起来。其中,4种原子如何配比,如何搭建结构,都十分复杂精妙。”

  薛其坤对自己有一股狠劲儿:没有休过一个像样的假期和周末,每年平均工作330天以上,每天平均工作15小时。反反复复制备和测量了1000多个样品,薛其坤团队才最终找到最佳的元素搭配与结构。

  做科研,“即使没有摘到山顶的樱桃,沿途的花草美景也都是成果”

  一朝成果,4年苦功。而这4年苦功,背后是30年的累积。

  机会总是给有长期积累的人,在进入量子反常霍尔效应研究之前,薛其坤从事超薄膜材料的制备、表征及其物理性能研究长达20多年。拓扑绝缘体材料的生长动力学就与他长期从事的砷化镓研究有非常类似的地方。于是他按照生长砷化镓的方法进行实验,首先建立起拓扑绝缘体材料的生长动力学。

  “有没有想过如果量子反常霍尔效应的实验没有成功会怎样?”记者好奇。

  薛其坤马上纠正:“基础研究本身就充满了不确定性。即使没有摘到山顶的樱桃,沿途的花草美景也都是成果啊。”薛其坤以量子反常霍尔效应实现过程中的一个例子说明,“比如我们发现在绝缘材料中掺入一定区间内的磁性材料,整体的导电性并无差别,于是就发现了拓扑绝缘体的新特性,在磁学领域意外收获了一枚新果实。”薛其坤认为,基础研究者必须定下一个高远的目标,发论文、作者排名绝对不能成为科研目的,当向高峰攀缘的过程中,沿途会有很多收获,甚至还会开辟出一片更广的新天地,发现一个新问题的解决方式。

  教会学生科研的同时,也要教会他们做人

  边科研边育人,薛其坤培养学生,有着自己独特的理念,在他看来,年轻人必须将基础知识、实验技术掌握到极致,而学会为人处世、在科学研究中学会合作,也是一项基本功。

  “薛老师自己就是一个智商与情商双高的人。”他的同事与学生这样评价。薛其坤的研究团队包括清华大学、中科院物理研究所等4个研究组,还有20多位研究生。分散在不同地方的实验团队成员,每天都通过电话和邮件交流实验结果,隔两三周就会充分讨论实验的所有细节。在周围的人看来,也只有薛其坤才能汇聚起这么多人,齐心协力去做这项研究。

  知人善用的薛其坤合理分工,能让每一个人在团队中都发挥很好的作用。比如物理系教授王亚愚擅长做输运,就被薛其坤拉到自己的团队里负责量子反常霍尔效应的输运测量。由于高质量的材料是实现这一量子效应的关键,薛其坤就亲自担任样品生长的总负责人,并指定由中科院物理研究所马旭村研究组的何珂带领几位研究生具体进行。

  “年轻人出现畏难情绪时要用自己成功的科研经验鼓励他,团队协作出现问题时要苦口婆心地教育他们只有协同作战才能提升自己的水平,取得成绩时要告诫他们不要自满,学会实验手段和科学思维才是人才的真正价值。”薛其坤说。

  最近,常翠祖不仅在新的材料体系中重复了量子反常霍尔效应,而且又发现了一些新的现象。薛其坤十分欣喜:“希望未来培养出更多科学界的指挥者,而不仅仅是执行者。”