國家最高科學技術獎獲得者薛其坤：披荊斬棘叱咤量子競技場

2024-06-25 17:24:34 來源：中國科技網

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2023年度國家最高科學技術獎6月24日在京揭曉，李德仁院士、薛其坤院士獲得中國科技界崇高榮譽。

進入信息時代，芯片儼然成為處理信息的“大腦”。在指甲蓋大小的芯片里封裝數10億個晶體管，堪稱人類最復雜的壯舉之一。可是，當數據量指數性爆發，僅憑集成更多晶體管不再“一招鮮”，元器件的發熱問題，成為限制算力提升的瓶頸。而量子反常霍爾效應，則提供了實現超高性能電子器件的可能性。

“在超海量數據時代，對信息的存儲和處理將會有極高要求，需要一種完全創新的計算機，實現類似于超導、電阻等于零的無能耗輸運現象。”凝聚態物理學家、清華大學教授、中國科學院院士薛其坤說。

在材料中，電子的運動是高度無序的，電子和晶格振動、電子和雜質、電子和電子會不斷碰撞，產生電阻、發熱等效果。如果給薄膜材料外加一個強磁場，電子有可能立即“規矩”起來，沿著邊界不受阻礙地運動，這種有趣的現象叫做量子霍爾效應。假如能找到一種特殊材料，既有自發磁化，電子態又具有拓撲結構，則有可能在不外加磁場的情況下產生量子霍爾效應，這就是量子反常霍爾效應。

多年來，量子反常霍爾效應如同一道傳說中的“咒語”，讓各國物理學家魂牽夢繞，卻沒人能證明它真實存在。

經過數年探索，薛其坤團隊通過分子束外延的辦法，制備出世界上首個具有鐵磁性、絕緣以及有拓撲特性的新奇物理性質材料的薄膜，首次在實驗室破解了這道“咒語”。

進入“沒有賽道的競技場”

1980年代，國際量子材料和物態領域基礎研究迎來爆發式發展，整數和分數量子霍爾效應等多項發現，開啟了拓撲量子物態這一新研究領域，并為發展低能耗電子器件指明了新的可能。

不過，量子霍爾效應的產生需要非常強的外加磁場，這對其研究和應用都帶來了極大困難。試想一下，如果運行一枚具有量子霍爾效應的芯片，需要配備一臺冰箱大小的強磁場發生器，誰能接受？

2016年諾貝爾物理學獎獲得者霍爾丹（F. D. M. Haldane）于1988年提出，有可能存在不需要外加磁場的量子霍爾效應體系，但他的假設離實際材料體系相距甚遠。在此后20多年里，在真實材料中發現量子反常霍爾效應，一直是凝聚態物理學的重大科學目標之一。

2005年拓撲絕緣體概念被提出，科學家認為，在拓撲絕緣體薄膜中引入鐵磁性，理論上有可能實現量子反常霍爾效應。但要在實驗中實現卻極為困難，因為反常霍爾效應的量子化，需要材料的性質同時滿足三項非常苛刻的條件：一是材料的能帶結構必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態，即一維導電通道；二是材料內必須具有長程鐵磁序，從而無需借助外磁場而存在反常霍爾效應；三是材料體內必須為絕緣態，對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態參與導電。在實驗中，想實現以上任何一點都很難，即使在理論上，這三個條件能不能同時滿足，也存在很大不確定性。因此，有人將這項全球實驗物理學家面對的巨大挑戰，形容為“沒有賽道的競技場”。

從2008年起，薛其坤團隊利用分子束外延生長—低溫強磁場掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜相結合的獨特技術手段，開始開展對拓撲絕緣體的研究。他們首次建立了Bi2Te3家族拓撲絕緣體的分子束外延生長動力學，發展出嚴格控制材料組分的三溫度法，生長出國際上質量最高的拓撲絕緣體樣品，該方法后來成為國際上通用的拓撲絕緣體樣品制備方法。

隨后，他們首次利用角分辨光電子能譜，繪制出三維拓撲絕緣體在二維極限下的電子能帶結構演化，該項成果為基于拓撲絕緣體薄膜的大量后續工作打下了基礎；他們利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡技術，揭示出拓撲絕緣體表面態的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質，在國際上產生了很大的學術影響。這一系列努力與成果，使我國在拓撲絕緣體領域研究中躋身國際領先行列。

有此基礎，薛其坤將目光投向了量子反常霍爾效應。“對于科學家來講，這是一個非常奇妙的物理現象，我們很希望把這個謎揭開，看看它到底是不是存在。同時，在國家支持下，我們的相關實驗技術也達到了這個水平。”他說，“正是天時地利人和。”

從2009年開始，薛其坤帶領量子反常霍爾效應實驗團隊，進入了“沒有賽道的競技場”。

至今保存著那條短信

“當年薛老師找到我和幾位老師，說國際上有理論預言，可以在磁性拓撲絕緣體中去尋找量子反常霍爾效應，并邀請我們集體攻關來發現這個效應。”清華大學物理系教授王亞愚回憶，自己當時立即被吸引了。

2009年，薛其坤團隊與來自清華大學、中國科學院物理所、美國斯坦福大學的合作者們，基于所獲得的高質量拓撲絕緣體薄膜，開始對量子反常霍爾效應進行實驗攻關。

攻關過程極為艱辛，面臨學術、技術以及路線等眾多復雜的問題。薛其坤介紹，制備厚度約5納米的薄膜并不難，難的是要在原子尺度上控制摻雜的元素，更難的是要在電子層次上把結構、材料和物理性質之間的內在關聯理解清楚，為下一個實驗尋找方向。

在不斷摸索中，研究團隊制備出組分、厚度均精確可控的三元拓撲絕緣體薄膜，實現通過薄膜化學組分比例和電場效應，調控拓撲表面態的能帶結構和薄膜的載流子類型與濃度。他們通過在該薄膜中摻雜磁性Cr（鉻）原子，在其中建立了鐵磁序，以及垂直于薄膜面的易磁化軸。據統計，他們共制備了1000多個樣品，最終獲得的材料可以兼具鐵磁性、體絕緣性和拓撲性，是實現量子反常霍爾效應的理想材料系統。“每個樣品從生長到測量，至少需要三四天時間。”薛其坤說，“大家把能力發揮到了極致，他們付出的努力令人驚訝。”

2012年初，工作陷入瓶頸。“所有需要的條件我們似乎都已經實現了，但是得到的結果離最終的成功還很遙遠。”團隊成員、清華大學物理系教授何珂回憶說，“當時大家都有一些絕望的情緒，不知道下一步該怎么辦好。”

薛其坤并不認為這是失敗。“在實驗上，如果我們達不到目標，首先證明我們的學術判斷不一定正確，這是一個提高學術能力的機會。在探索中如果遇到失敗，說明此路不通，把迷宮中不通的路找出來也是貢獻。”他說。

在他的鼓勵和開導下，大家決定轉變思路，做“減法”，重新靜下心，逐一排除樣品中可能存在的各種問題。

薛其坤的手機里，至今保留著一條2012年10月12日收到的短信。

那是一個周五。當晚值班的項目組成員常翠祖，看到了量子反常霍爾效應初步跡象，他迅速給薛其坤發了短信。“那天我回家早一點，大概十點半，剛停下車就收到消息。”薛其坤對此記憶猶新，“當時非常激動，也很欣慰。”

“最初決定做這項實驗的時候，其實我們有思想準備，也許我們努力之后發現量子反常霍爾效應并不存在。”他說，“最終我們在基礎研究中實現了一個全新科學規律的發現，對于科學家來講，這是一種莫大的幸福。”

盡快應用到實際中去，是我們的努力方向

量子反常霍爾效應是新中國成立以來我國物理學家發現的重要科學效應之一，是中國物理學界對世界物理學發展作出的一項重大貢獻。

“這個成果的產生，應該是對國家、人民長期強力支持我們的回報。”薛其坤表示。

此項成果發表后，產生了巨大的國際學術影響，得到了楊振寧等知名物理學家的高度評價。薛其坤于2014年、2022年兩次受邀在由諾貝爾基金會發起的諾貝爾論壇作特邀報告，還在國際分子束外延大會（2014年）、國際半導體物理大會（2014年）等相關領域最有影響力的國際會議上作大會特邀報告。2016年諾貝爾物理學獎授予了三位在拓撲相變和拓撲物質領域做出開創性貢獻的理論物理學家，在該獎的科學背景介紹中，諾貝爾評獎委員會將量子反常霍爾效應的實驗發現作為拓撲物質代表性實驗進展之一進行了介紹。

該成果也推動了相關研究的快速發展。此后數年間，各國研究者通過對磁性拓撲絕緣體材料性質的改進，將量子反常霍爾效應的實現溫度從0.03K（開爾文，國際單位制中的溫度單位，以絕對零度作為計算起點）提升到1K以上。美、日、德等國的國家計量機構均開展了基于量子反常霍爾效應的電阻量子標準研究，量子反常霍爾電阻的精確度已初步滿足應用于電阻量子標準的條件。量子反常霍爾效應還在超冷原子系統、內稟磁性拓撲絕緣體系統、轉角石墨烯、轉角過渡金屬硫化物系統中被觀測到。如今，量子反常霍爾效應相關研究已成為國際物理學發展最快的研究方向之一。

薛其坤團隊也在相關研究中不斷取得新成果，繼續引領著該方向的國際學術進展。他們和合作者在2018年首次發現一種內稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，這種材料具有規則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實現更高工作溫度的量子反常霍爾效應，從而使其能在電子器件中應用。這一發現開啟了國際上一個新的熱點研究方向，近年已有科學家基于該材料，在30K溫度觀測到磁場輔助下量子反常霍爾態存在的證據，進一步增大了基于此材料實現高溫量子反常霍爾效應的希望。

“我們還要提高量子反常霍爾效應的觀察溫度，尋找更便宜的材料。使其盡快應用到實際中去，這是我們正在努力的方向。”薛其坤說。

從“小船”到“巨艦”

薛其坤曾自比為“一艘從沂蒙山區駛出的小船”。

1980年，他離開老家山東省臨沂市蒙陰縣，考入山東大學光學系。他自我評價說，當時“不算特別努力，中規中矩完成了學業”。畢業那年，他沒考上研究生，工作2年后又考，再次落榜。1987年，他考入中國科學院物理所，開始了研究生學習。5年后，在導師陸華的幫助下，他作為中日聯合培養博士生，前往日本東北大學金屬材料研究所學習。

在日本的學習，給薛其坤帶來了兩大影響。一是使他養成了“7—11”工作習慣。他回憶說：“在此期間，我第一次接觸到世界上最先進的實驗技術和國際開放的環境，這是非常重要的機遇，我很珍惜，因此每天早上7點到實驗室，晚上11點離開，以求用更長的工作時間盡可能掌握更多實驗技術。”二是他逐漸養成了極為嚴謹的實驗科學研究態度。

1994年，薛其坤回國完成答辯，在中國科學院物理所獲得博士學位，隨后繼續赴日本東北大學工作，并作為訪問學者，在美國北卡萊羅納州立大學物理系做了一年的博士后。1999年，他正式回國，在中國科學院物理所擔任研究員。此時的他，心中多了一份信念。

“在國外7年多時間，我看到了國家在科學研究上、國人在生活水平上，跟發達國家的巨大差距。”他說，“這種經歷觸發了我想為國家多做點事的信念。我希望祖國在科技各個方面都變得強大，希望中國人活得更幸福、更有尊嚴。”

帶著這份信念，薛其坤投身于祖國科研事業，每天早上7點到實驗室，晚上11點離開。常有學生想跟他比比誰能更早到實驗室、離開得更晚，但沒人能像他那樣多年如一日地堅持。

薛其坤認為自己是幸運的。“從在中國科學院物理所的5年時間，到2005年加入清華大學以后，國家經濟處在一個快速發展的時期，國家對大學的支持、對科學研究的支持、對人才的支持，也都是最好的時期。”他說，“我們就在國家快速發展的滾滾洪流下不斷成長。”

如今，他已成為我國在量子科技領域的杰出戰略科學家。除了量子反常霍爾效應，他還帶領團隊發現界面增強高溫超導，實現近年來高溫超導領域的重要突破，在國際上開辟了高溫超導的全新研究方向，成為改革開放40多年來我國基礎研究走向世界的杰出代表之一。

在人才培養、團隊建設等方面，薛其坤同樣成果顯著。他的團隊中已有1人當選中國科學院院士、30余人次入選國家級人才計劃，共培養博士生、博士后120余名，為我國低維物理、量子材料領域建立了具有國際水準的人才隊伍。

山區里駛出的小船，如今已成為馳騁在科學海洋里的巨艦，在潮頭浪尖領航。

【記者手記】薛其坤的幸福感

夏日的清華校園綠葉搖曳、光影交錯，寧靜中洋溢著青春的活力。

在李文正館古籍閱覽室，我見到了薛其坤院士——一如既往的謙遜溫和，話語誠懇。

“國家的強大，對一個科學家的事業來講是非常重要。”他說，“黨和國家給我們創造了這么好的環境，讓我感覺當中國科學家是最幸福的。”

采訪中，薛其坤經常提到自己的“幸福”。他的合作伙伴王亞愚教授也說：“我覺得薛老師在哪兒都會很幸福。”

這份幸福感從何而來？我覺得，因為他懂得珍惜，也懂得責任。

在沂蒙山區長大的薛其坤，過過苦日子。后來他考入山東大學，度過了快樂的大學生活，又在曲阜師專教書，發了工資就去買好吃的。講述這些故事，他繪聲繪色。

在中國科學院物理所讀研，赴日本、美國學習和工作，讓步入更高科學殿堂、接觸到更先進科學技術的薛其坤越來越認識到，這來之不易的幸福值得珍惜，更需要加倍努力作出回報。

于是他每天花16個小時泡在實驗室里，盡可能多學習知識、多掌握技術，只為心中愈發堅定的信念：多做點事，讓鄉親們過得更好，讓國人更有尊嚴，讓祖國更強大。

回國后，薛其坤乘上了國家快速發展的東風。在向科學前沿奮力攀登的同時，他也不斷將自己的幸福感傳遞給身邊的年輕人。

在學生面前，薛其坤平易近人，會把身段放得很低。他給學生們講自己數學考試不及格、三次才考上研究生，將自己塑造成一個“勤能補拙”的案例，鼓勵學生珍惜當下環境，勤奮努力學習。

如果學生做實驗時不仔細，他則會令人“生畏”。曾有一名同學在實驗室里開小差，讓薛其坤大為發火，他訓斥說：“有這么好的條件，不集中精力做實驗，不僅是浪費自己的時間，還是嚴重浪費科研資源。”說到激動處幾乎落淚。

量子反常霍爾效應研究取得的成功，讓薛其坤在幸福的同時更感欣慰：“這個成果的產生，應該是對國家、人民長期強力支持我們的回報。”

目前，薛其坤團隊還在不斷取得新成果，繼續引領著相關領域的國際學術進展。他的使命尚未完結，他的幸福也將繼續。