【方舟子打假薛其坤】“青科”30年 | 薛其坤:小量子里有大梦想

1988年9月23日,首届中国科学技术协会青年科技奖颁奖典礼在中南海怀仁堂举行。30年来,选拔培养了近千名在我国各个学科研究领域取得重大成就的优秀青年科技人才。“知识就是力量”将陆续推出“千万英才”系列科学家人物专访,带您走进科学家的世界,看他们如何诠释科学家精神,如何攀登科学高峰。

专家介绍:薛其坤

博士,教授,中国科学院院士。现任清华大学党委常委、副校长。主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理学、自旋电子学、拓扑量子物理和高温超导电性等。

曾获何梁何利科学与技术进步奖(2006年)、国家自然科学二等奖(2005和2011年)、第三世界科学院物理奖(2010年)、求是杰出科技成就集体奖(2011年)、陈嘉庚科学奖(2012年)、“万人计划”杰出人才(2013年)、求是杰出科学家奖(2014年)、何梁何利科学与技术成就奖(2014年)和未来科学大奖-物质科学奖(2016年)、国家自然科学一等奖(2018年)等奖项与荣誉。

2005年当选为中国科学院院士。

对于我国的青年科技工作者来说,有一个奖项最能证明他们的努力与成就,那就是中国青年科技奖。这个最初由钱学森等科学家提议设立的奖项至今已经评选出近千名获奖者,现在他们大多数均活跃在国际舞台,科研成果斐然,也有许多获奖者承担了更多管理工作,其中不乏一些大学校长。

35岁晋升教授,41岁成为中国科学院院士,49岁提出界面高温超导,50岁发现“量子反常霍尔效应”,56岁获得国家自然科学奖一等奖。同样是他,硕士考了3次,攻读博士学位他用了7年,曲折的科研路拓印着他的执着和坚毅,他就是第八届中国青年科技奖获得者,清华大学副校长薛其坤院士。

鱼跃龙门

如果不是实验证明了量子反常霍尔效应,薛其坤还并未真正走进公众视野,绝大部分人还是不清楚这位科学家到底做出了什么。

薛其坤,1963年出生在山东省沂蒙山区的一个小村庄,物质条件匮乏,小时候上学的课桌就是把一棵树从中间劈开制作成的,凳子都是自己从家里带来的。1978年,“科学的春天”到来,他本能地对科学有了向往,这是一种朦胧、朴素的向往,用薛其坤自己的话说,“当一个科学家多么伟大”。但真正成为科学家,尤其是杰出的科学家还要走很长的一段路,“对专业没有任何想法,能上大学就行”才是他内心的真实写照。

但他跟物理的默契似乎早已形成,高考物理满分100,他考了99分,在班主任的建议下,他报了山东大学光学系激光专业并成功被录取。薛其坤的表现轰动了他所在的小县城,家里喜气洋洋地摆开了流水席。

薛其坤

大学毕业那一年,他尝试考过一次研究生,没有成功。毕业后,他被分配至曲阜师范大学教书,舒适的工作环境、较为轻松的教学任务、每年三个月的假期,这在当时很多人看来都是极其完美的工作。考研又成为他阶段性的目标,他利用空余时间复习,这一次的结果令人大跌眼镜,因为听说考试很简单,他根本没有好好复习,对题型也不了解。当成绩公布时,他引以为傲的物理学科竟然只考了39分。

“当时没考上,心情确实不愉快,但时间很短,因为自己基础并不差,另外我相当乐观坚强,遇事总是往好处想”。薛其坤不认为考试失利是多大的失败,每次低落几分钟就又鼓足勇气,把注意力放在补齐短板上。终于,在第三次备考时,经过充分准备的他成功收到了中科院物理所的研究生录取通知书。

苦尽甘来

在中科院物理所学习了一年多之后,他才找到研究方向。“那时候发现自己在理论方面没有特殊的才能,所以基本的想法就是学习做实验。”那些当时看起来“高大上”的实验仪器更吸引这位山村出来的学生,他最终选择导师也是很有戏剧性的,“走遍了物理所的实验室,陆华老师的实验仪器最先进,就没有考虑其他的。”

从此,他开始了表面物理科研之路。硕士毕业后,他继续选择读博。在读博士一年半后,恰好其导师陆华老师得到了一个与日本东北大学金属材料研究所联合培养的机会,这是日本最古老的大学附属研究所。

说起在日本的经历,不得不提起他的“7-11”生活。

1992年,到日本东北大学金属材料研究所报到的第一天,薛其坤就拿到了一份实验室内部规则,除了一些注意事项,上面还明确规定了作息时间:早晨7点到实验室,晚上11点离开,全员遵守,不得违反。他原本想着,去日本学习可以接触一些国内没有的先进科学设备,还可以四处转转,增长见识。没想到,是他“想太多”了。到那儿的第一年,别说是其他城市,就连东北大学所在的仙台市是什么样,他都了解得不多。

那段封闭的日子里,他经历了语言不通、技术不熟、睡眠不足的“磨难”,每日为了能生存下去而挣扎。“困啊,真困,在马桶上都能睡着”,回忆起那段磨人的日子薛其坤笑着说。

采访中的薛其坤

但他坚持了下来,在苦闷时冷静反思,乐观对待,逐渐习惯了这样的生活。薛其坤的科研进展变得越来越顺利,成为实验室中的得力干将。如今回忆起来,薛其坤很感谢那段时光,导师严谨治学的科研态度让自己得到了充分的锻炼,真正地让他从一个学生走上了科学家之路。回国至今,薛其坤已然坚持这样的习惯20余年,让他从“7-11”博士变成了“7-11”院士。

薛其坤承认,“7-11”只是科研方式的一种,并不适合所有人和所有的专业。“这样一种如此高强度的工作,只是科研创新模式的一种,比如做理论物理可能这样的方式就不一定合适。”薛其坤认为“7-11”的方式是把实验技术达到极致的体现,“做实验物理当然需要充足的时间去思考科学问题,激发灵感,但真正要在实验上实现自己的想法,就需要精益求精,追求极致的精神。

这也是他认为他们能最先实验验证量子反常霍尔效应的最重要的原因之一。

“可能这种方式不是很科学,但它是经过时间验证的比较有效率的。”虽然现在想起那段时光,仍觉得非常辛苦,但薛其坤坦言这因此让他更加勤奋。“对搞科研的人来说,勤奋是非常必要的,只有勤奋才能精益求精”。

巧捷万端

如今已是国际知名实验物理学家的薛其坤在刚开始读书时并不喜欢实验。“应该说我更愿意学习课程内容中的理论,对实验不是特别感兴趣,而且做实验后写的报告自我感觉很好,却没有得到好成绩,对我也有点打击。”不过这并不是真正原因,薛其坤娓娓道来,“很重要的原因是实验一般是下午做,有时一做一下午,耽误我踢球。”薛其坤很实在地说,4点半是足球时间,如果5点钟还没做完实验,会觉得十分厌烦。

这位身材瘦削,整日埋头于实验室的科学家其实也曾是运动健将,薛其坤曾经是《足球报》的坚实拥趸,期期不落。运动确实是薛其坤的爱好,也许正是这些爱好练就了他强健的体魄,为“7-11”的生活节奏打下了良好基础。后来他还把中国科研的方向和目标,比作追求体育运动中足球、篮球这样世界运动的第一,要受到全世界的关注,而非自娱自乐、小打小闹的冷门项目。

他也曾经是一个热爱足球的运动少年,也曾经热衷于沉浸在爱伦坡的推理世界里,但为了有更多时间进行研究,他几乎放弃了自己所有的业余爱好。即使这样,薛其坤还是觉得时间不够用,常常说要跟时间赛跑。

石破天惊

从20世纪80年代开始,有关“霍尔效应”的研究已数次斩获诺贝尔奖。但关于这一家族中的“量子反常霍尔效应”,却一直进展缓慢,全世界的物理学家都在苦苦探索。

2008年华裔物理学家张首晟提出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实验量子反常霍尔效应的方向,引发国际竞争。“要找到这种材料,好比要求一个运动员具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的技巧,在实际的材料中实现其中任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来说是一个巨大的挑战”,王亚愚如此形容实验的巨大难度。

四年时间,清华大学和中科院物理所的青年团队在薛其坤的领导下,用了5套精密试验仪器,先后有20多名学生参与实验,生长了1000多个样品,最终生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。

实验室

他永远不会忘记2012年10月12日晚上10点35分的那条短信,当时他刚从实验室回到家中,学生发来,“薛老师,量子化反常霍尔效应出来了,等待详细测量。”他压抑住心脏的狂跳,立马打电话过去再三确认情况,冷静地叮嘱学生下一步该怎么做,要求团队在最短时间内将成果“冲出来”。

在科学发现上,没有第二,只有第一,他坦言,“当发现一个科研成果时,你会很兴奋的,毕竟做了这么多年的努力,这是专利!如果第二个做出来就会大打折扣。”

两个月后,完美的实验数据出现了,最终实验结果发表在《科学》杂志上,引发了世界的关注。后来,包括美国、日本和欧洲的顶级团队都按照他的方法证明了实验结果,这才让这一百多年来的“霍尔效应”家族又填上了浓墨重彩的一笔。

或许很多人还不能完全理解这项发现的重要程度,简单来说,长时间使用计算机会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题,这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道,它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应可以解决这个问题,但它的产生需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,这样体积庞大且价格昂贵,显然不适合个人电脑和便携式计算机。

而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,即可实现电子的有序运动,更容易应用到人们日常使用的电子器件中。采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍!

其实这只是对于一般科普而言通俗的说法,因为这种科学发现,距离实际应用还有很长的路要走,而最初的科学目标也非解决电子器件热损耗的问题,而是去探寻物理学中本质的美。

曾几何时,量子反常霍尔效应和高温超导是物理学界最热门最前沿的两个研究课题。目前薛其坤已经在前者迈出了一大步,但还有更多未知在等着他。

钻坚研微

在绝大多数的新闻报道中,薛其坤的故事总会让人们觉得非常励志,也更加接地气。事实上,薛其坤有非常好的物理天赋。“在工作方面,我想提到薛教授最多的是勤奋,但实际上我认为他的物理直觉非常好,在学术方向上判断很准,而且这样的物理直觉不仅仅是由于长期研究获得的,有物理天分在里面”,薛其坤清华大学团队成员、物理系主任王亚愚教授说。

他与薛其坤合作多年,最让他佩服的是薛其坤喜欢去拓展新的领域,而这里面会遇到很多困难,也有很多行家,但薛其坤愿意尝试,还能给新的领域带来新的想法,有他个人特色的想法。

王亚愚说,薛教授其实个人很喜欢高温超导方面的研究,这是世界公认的科学难题。“原来他对超导应该算是外行,2008年后就对这项研究产生了浓厚的兴趣,但因为他此前不在这个方向工作,反而带来了他的研究方法和手段,比如用分子束外延的方法来制备高温超导的样品,再去研究它。”这正是他获得未来科学大奖的获奖理由之一。

薛其坤承认自己感兴趣的研究方向很多,但依然要做理性判断,“每年、每个月甚至每天你都有可能想到或者了解到有意思的课题,但对一个科学家来说有自己的学术专长,特别是对优秀的科学家应该有实事求是,更加深刻的学术判断”。

大方向找对了,再加上“7-11”的努力,才有了今天的成就,所以,薛其坤并不是“天才只是比别人多努力”,而是“天才比别人还努力”。但他没承认自己的天赋,他常这样评价自己:“不算绝顶聪明,但吃苦耐劳、非常勤奋。”

天道酬勤

2004年,他获得了中国青年科技奖,获奖原因是他在超导领域发现了纳米尺度效应,也是第一次定量地把纳米尺度效应引入到超导薄膜的性质调控,调控精度达到了一个单原子层的程度。“在当时国际上是一个非常有意思的科学进展,尤其在传统超导领域,将超导和纳米科学结合在一起,我当时向温家宝总理汇报了这一成果。”

虽然他获得过多次大奖,但这一次对他来说仍是记忆犹新的,“当时没有任何期待,对奖项也不是很了解,因为那个时候只专注自己的科研,得奖感觉就是一个神话,所以感觉非常振奋,更激发了我研究科学的热情,增强了战胜困难的决心!

”他表示,“作为一个刚步入独立科学研究的年轻人,需要一个这样的鼓励特别是国家的荣誉。因为他最清楚青年科研工作者最需要肯定,来自同事的肯定、老师的肯定、长辈上级的肯定,特别是到了国家层面的肯定。每一次肯定都能够对他们的工作起到推动作用,激励他们实现更高的理想。”

他认为中国青年科技奖的设立不仅是对青年科学家的荣誉和鼓励,同时也起到了文化建设的作用,“因为是国家设立的奖项,会引领社会崇尚科学,追求科学,尊重科学”。

分子束外延-扫描隧道显微镜联合系统

2019年1月8日,2018年度国家科技奖励大会上宣布薛其坤团队以“量子反常霍尔效应的实验发现”获得了本年度国家自然科学奖项中的唯一的一等奖。国家自然科学奖是他在读书时候就知道的奖项,在取得这项成就之前,他从未奢望过能够得到这一奖项,“但是随着科学研究的进行,尤其当我们的实验经过国外一流大学验证后,我有信心自己会走进人民大会堂,从总书记手上接下奖状”,他笑着说,“不觉得突然。”

从贫困山区一路走上国家最高领奖台,薛其坤所遇到的困难并不比别人少,只是每每在逆境之中,他都自强不息,逆袭有道。更重要的是,他始终保持着对科学真理的追求与探索。

薛其坤还获得了首届民间科学奖,奖金高达100万美元,被认为是中国诺贝尔奖的“未来科学大奖”物质科学奖,表彰他利用分子束外延技术发现量子反常霍尔效应和单层铁硒超导等新奇量子效应方面做出的开拓性工作。“我是‘腰缠万贯’的科学家”,薛其坤风趣地说。

对于由著名企业家联名捐赠设立的大奖,薛其坤认为这是企业意识到创新发展的源动力是科学研究的结果,更需要由他们来引领创新氛围,“对优秀的年轻人加以鼓励,让他们树立更远大的科学目标,挑战更重要的科学与技术问题,这是除了国家各种奖励以外最好的补充。”

当他还是一个沂蒙山少年的时候,没有想到自己会成为一个科学家。在未来科学大奖颁奖礼上,他把自己比喻为一条始发于沂蒙山区的小船,30多年来这艘小船乘风破浪在地球上转了一个圈——到济南读大学,到曲阜工作,到日本、美国留学,最终回到祖国首都,来到清华大学。

2013年,薛其坤任清华大学副校长,承担了更多科研管理和学生工作。对进入天命之年的薛其坤来说,他希望用更宽广的视野,更深厚的阅历来帮助年轻人,让他们肩负起我国未来的发展创新,“从这一点来说,这方面的工作比我自己的科研更重要”。水木清华,这里还有更多的挑战在等着薛其坤。