对话物理学家薛其坤：做好量子世界的“笨人”

体娱 2024-11-06 16:16 四川

几乎在所有面对普通公众的交流场合时，薛其坤都需要先用“通俗的语言”向人们解释，他和团队的研究是什么。

“量子反超霍尔效应”“拓扑绝缘体”“高温超导机理”这些拗口的科学名词，就是薛其坤沉潜探索的量子世界。这些谜题在薛其坤团队的实验室中得到突破，能为AI、超级计算机等前沿产业的长远发展提供有力支撑。

比如，随着AI深度学习模型复杂难度的增加，对算力的需求呈指数级增长。而算力的提高往往伴随着高能耗，高性能计算机设备在运行时会产生大量热量，也需要大量冷却系统来防止设备过热。

薛其坤的上述研究，将为发展低能耗电子器件带来更多希望。能耗和温度正是超级计算机需要解决的重要问题。2012年，薛其坤带领研究团队在世界上首次观测到“量子反常霍尔效应”，杨振宁称赞这是“诺奖级”的发现，“是科学界的喜事，是整个国家的喜事”。

11月3日，在一年一度的全球顶尖科学大会——2024腾讯科学WE大会上，《每日经济新闻》记者见到了国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤。

薛其坤在2024腾讯科学WE大会上演讲图片来源：主办方供图

面对台下一个个慕名而来的青少年听众，薛其坤从初中物理的欧姆定律切入，聊到奇妙的量子世界。他也在其间接受了媒体的采访。

聆听物理学家的讲述，鼓舞人心的不仅是他的研究成果，更是他孜孜不倦的精神。作为实验物理学家，下苦功夫必不可少，在捕捉到成功曙光前，面对一年年的“失败”也是常有的事。但在年过花甲的薛其坤描述中，听众感受到的是踏实与满足。

“探索的过程中，我们忘掉时间，忘掉周围的小环境。”薛其坤说，“通过这种‘着迷式’的科学研究，探索这个世界的奥秘，有时候可能会推动一些新技术，服务社会的发展。”

篮球打得赛姚明，跑步堪比博尔特，跳水要像全红婵

“我是一艘从沂蒙山区驶出的小船。”中国科学院院士、清华大学教授、南方科技大学校长薛其坤曾在未来科学大奖物质科学奖的颁奖典礼上，这样形容自己，“父母给了小船生命；小船有毛病了，导师帮忙修修，方向不对了，导师给指导指导；我的学生赋予了小船更青春的生命⋯⋯”

薛其坤的故事，起点并非学霸“一路开挂”，而是典型的“寒门学子”励志逆袭。1963年，他出生在山东沂蒙山区的小村庄，家里兄弟姐妹众多，他也曾当过“放牛娃”。恢复高考后，他高考物理只差1分满分，随后走上物理研究这条路。

但他也常拿自己“考研考了三次”来鼓励学生们，将挫折视作成长的机遇。见过薛其坤的人，恐怕都难以忽视他浓重的山东沂蒙口音。他本人也不介意调侃：“我刚到北京的时候，连普通话都说不标准，又怎么说流利的英语呢？”读研后，薛其坤的导师奖励他去美国做报告的机会。为了克服语言问题，他将这个20分钟的报告练习80多遍，对时间的把握到了出神入化的程度，基本上能精确到提前5秒钟结束。

被推到公众面前的，是薛其坤与团队2012年年底在实验中发现的“量子反常霍尔效应”。2020年—2023年，薛其坤接连获得国际物理界大奖。他也在2024年6月获得国家最高科学技术奖，是该奖项自2000年首届评选以来最年轻的获奖者。

薛其坤在实验室图片来源：央视视频截图

在凝聚态物理研究中，量子霍尔效应的研究一直被科学家们高度关注，此前在这方面的研究已经三次获得诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应为什么如此重要？从简单实用的角度来说，它为制备低能耗的高速电子器件提供了理论基础，但实现难度很大，因为需要外加庞大的磁场，费用昂贵。而量子反常霍尔效应不依赖强磁场就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

因此，从量子反常霍尔效应被发现的一百多年来，通过什么方法实现这一效应，使其现身并实现实验观测难度极大，一直是世界上无数科学家奋力追寻而不得的科学目标。

“实验观测量子反常霍尔效应，最大的挑战在于如何实现材料的精确控制。”在2024腾讯科学WE大会期间，薛其坤告诉记者，“控制材料的浓度、质量、精度，我们团队20多人，奋斗四年多，不断制备出不同配比的样品，进行霍尔效应的测量，如果有实现的可能，就在其附近进行第二种材料的生长，总共实验了上千种样品。”

“这个材料是‘三不像’的矛盾体，它有磁性、拓扑性、还要绝缘，还要把它做成薄膜。这就好比要求一个运动员，篮球打得像姚明那么好，跑得像博尔特那么快，跳水还要像全红婵那么凌厉，这样的配置非常难。”

薛其坤在2024腾讯科学WE大会上演讲图片来源：主办方供图

演讲中，薛其坤展示了该团队“抓住”量子反常霍尔效应的样品。“大家可以看到很多电极，电极之间有三块，每一个方块上面就是我们首先观察到量子反常霍尔效应的样品。”

“显微镜下的照片，每一个亮点代表一个原子，在这么一个范围内，你找不到一个缺陷，而且薄膜是原子级的平整。这说明我们对材料的纯度非常高，我们在其他材料也能做到这个水平。这为我们发现量子反常霍尔效应奠定了非常好的基础。”

“要十分勤奋，且持之以恒”

以往的国家科学技术奖更多偏向应用领域，而薛其坤的研究成果属于基础研究。

基础研究是科学体系的源头、所有技术的总机关。但基础科研具有不确定性，在拨动那个开关之前，薛其坤并不知道“科学之神”何时会降临。为了不断接近这个时刻，他付出了“十二分”的努力。

薛其坤在实验室图片来源：央视视频截图

薛其坤被学生们称为“711”先生，因为他常年从早上7点开始工作，一直到晚上11点才结束，这是他在日本留学期间形成的习惯。1992年，薛其坤前往国外学习，强烈感觉到彼时中国与发达国家的差距。很多人不适应“711”的实验室模式，但薛其坤只觉得分秒必争。

“人家（发达国家）也是经过了多少年的积累，我们要想尽快减少这种差距的话，肯定要多付出一些。”在谈到那段留学经历时，薛其坤曾说。

事实证明，薛其坤取得的成就甚至超过了自己的想象，而他把这一切归因于“1分天赋、99分努力”。“既然不是‘天才’，那就做个‘笨人’吧。做好一个‘笨人’，才是不容易的。”

1998年薛其坤回国，2005年调入清华大学物理学系，2020年成为南方科技大学校长。如今，已经61岁的薛其坤，依然保持着“711”的工作模式，“一周干七天，几乎没假期，我是非常非常勤奋的”。

薛其坤在实验室图片来源：央视视频截图

在演讲现场，薛其坤再次提及努力的重要性。他要求他的学生对实验仪器的把握了如指掌，要求他们把握好每一个细节，把每一个实验都做到极致。“但是要做到这一点，需要十分勤奋，而且要持之以恒。”

最近，薛其坤团队的努力方向是攻克高温超导机理。所谓高温超导，是指材料在相对高温条件下（高于液氮温度77K，即零下196.15摄氏度以上），表现出零电阻和完全抗磁性的特点。

尽管科学家们已经提出了许多理论模型和实验证据，但高温超导的确切机理仍然是一个未解之谜。薛其坤继续沿着基础研究的方向，希望能弄明白背后的机理，这也是当今物理界非常重要的前沿课题。

“高温超导的机理是凝聚态物理学的世纪难题，如果我们把谜底揭开了，就有可能设计出高温超导材料，在室温下甚至更高温度下实现超导，这将是对全人类的重要贡献。”他在2024腾讯科学WE大会期间接受采访时说。

薛其坤日复一日地辛勤工作，他总是对夜深人静时待在实验室乐在其中。在他看来，科研探索非常有意思，在探索的过程中甚至有时会忘掉时间、忘掉周围的环境。

科学发现特别是基础研究，常常会导致颠覆性的技术发展。薛其坤希望年轻人保持小时候对自然的好奇心，热爱科学、崇尚科学，也敢于从事科学。“以十年磨一剑的坚定决心和顽强意志，只争朝夕，埋头苦干，一步一个脚印地把科技强国战略目标变为现实。”

记者 | 丁舟洋唐俊 编辑 | 梁枭

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