「青科」30年 | 薛其坤：小量子里有大夢想
編者按
1988年9月23日，首屆中國科學技術協會青年科技獎頒獎典禮在中南海懷仁堂舉行。30年來，選拔培養了近千名在我國各個學科研究領域取得重大成就的優秀青年科技人才。「知識就是力量」將陸續推出「千萬英才」系列科學家人物專訪，帶您走進科學家的世界，看他們如何詮釋科學家精神，如何攀登科學高峰。
專家介紹：薛其坤
博士，教授，中國科學院院士。現任清華大學黨委常委、副校長。主要研究方向為掃描隧道顯微學、表面物理學、自旋電子學、拓撲量子物理和高溫超導電性等。
曾獲何梁何利科學與技術進步獎（2006年）、國家自然科學二等獎（2005和2011年）、第三世界科學院物理獎（2010年）、求是傑出科技成就集體獎（2011年）、陳嘉庚科學獎（2012年）、「萬人計劃」傑出人才（2013年）、求是傑出科學家獎（2014年）、何梁何利科學與技術成就獎（2014年）和未來科學大獎－物質科學獎（2016年）、國家自然科學一等獎（2018年）等獎項與榮譽。2005年當選為中國科學院院士。
對於我國的青年科技工作者來說，有一個獎項最能證明他們的努力與成就，那就是中國青年科技獎。這個最初由錢學森等科學家提議設立的獎項至今已經評選出近千名獲獎者，現在他們大多數均活躍在國際舞台，科研成果斐然，也有許多獲獎者承擔了更多管理工作，其中不乏一些大學校長。
35歲晉陞教授，41歲成為中國科學院院士，49歲提出界面高溫超導，50歲發現「量子反常霍爾效應」，56歲獲得國家自然科學獎一等獎。同樣是他，碩士考了3次，攻讀博士學位他用了7年，曲折的科研路拓印著他的執著和堅毅，他就是第八屆中國青年科技獎獲得者，清華大學副校長薛其坤院士。
魚躍龍門
如果不是實驗證明了量子反常霍爾效應，薛其坤還並未真正走進公眾視野，絕大部分人還是不清楚這位科學家到底做出了什麼。
薛其坤，1963年出生在山東省沂蒙山區的一個小村莊，物質條件匱乏，小時候上學的課桌就是把一棵樹從中間劈開製作成的，凳子都是自己從家裡帶來的。1978年，「科學的春天」到來，他本能地對科學有了嚮往，這是一種朦朧、樸素的嚮往，用薛其坤自己的話說，「當一個科學家多麼偉大」。但真正成為科學家，尤其是傑出的科學家還要走很長的一段路，「對專業沒有任何想法，能上大學就行」才是他內心的真實寫照。
但他跟物理的默契似乎早已形成，高考物理滿分100，他考了99分，在班主任的建議下，他報了山東大學光學系激光專業並成功被錄取。薛其坤的表現轟動了他所在的小縣城，家裡喜氣洋洋地擺開了流水席。
薛其坤
大學畢業那一年，他嘗試考過一次研究生，沒有成功。畢業後，他被分配至曲阜師範大學教書，舒適的工作環境、較為輕鬆的教學任務、每年三個月的假期，這在當時很多人看來都是極其完美的工作。考研又成為他階段性的目標，他利用空餘時間複習，這一次的結果令人大跌眼鏡，因為聽說考試很簡單，他根本沒有好好複習，對題型也不了解。當成績公布時，他引以為傲的物理學科竟然只考了39分。
「當時沒考上，心情確實不愉快，但時間很短，因為自己基礎並不差，另外我相當樂觀堅強，遇事總是往好處想」。薛其坤不認為考試失利是多大的失敗，每次低落幾分鐘就又鼓足勇氣，把注意力放在補齊短板上。終於，在第三次備考時，經過充分準備的他成功收到了中科院物理所的研究生錄取通知書。
苦盡甘來
在中科院物理所學習了一年多之後，他才找到研究方向。「那時候發現自己在理論方面沒有特殊的才能，所以基本的想法就是學習做實驗。」那些當時看起來「高大上」的實驗儀器更吸引這位山村出來的學生，他最終選擇導師也是很有戲劇性的，「走遍了物理所的實驗室，陸華老師的實驗儀器最先進，就沒有考慮其他的。」
從此，他開始了表面物理科研之路。碩士畢業後，他繼續選擇讀博。在讀博士一年半後，恰好其導師陸華老師得到了一個與日本東北大學金屬材料研究所聯合培養的機會，這是日本最古老的大學附屬研究所。
說起在日本的經歷，不得不提起他的「7-11」生活。
1992年，到日本東北大學金屬材料研究所報到的第一天，薛其坤就拿到了一份實驗室內部規則，除了一些注意事項，上面還明確規定了作息時間：早晨7點到實驗室，晚上11點離開，全員遵守，不得違反。他原本想著，去日本學習可以接觸一些國內沒有的先進科學設備，還可以四處轉轉，增長見識。沒想到，是他「想太多」了。到那兒的第一年，別說是其他城市，就連東北大學所在的仙台市是什麼樣，他都了解得不多。
那段封閉的日子裡，他經歷了語言不通、技術不熟、睡眠不足的「磨難」，每日為了能生存下去而掙扎。「困啊，真困，在馬桶上都能睡著」，回憶起那段磨人的日子薛其坤笑著說。
採訪中的薛其坤
但他堅持了下來，在苦悶時冷靜反思，樂觀對待，逐漸習慣了這樣的生活。薛其坤的科研進展變得越來越順利，成為實驗室中的得力幹將。如今回憶起來，薛其坤很感謝那段時光，導師嚴謹治學的科研態度讓自己得到了充分的鍛煉，真正地讓他從一個學生走上了科學家之路。回國至今，薛其坤已然堅持這樣的習慣20餘年，讓他從「7-11」博士變成了「7-11」院士。
薛其坤承認，「7-11」只是科研方式的一種，並不適合所有人和所有的專業。「這樣一種如此高強度的工作，只是科研創新模式的一種，比如做理論物理可能這樣的方式就不一定合適。」薛其坤認為「7-11」的方式是把實驗技術達到極致的體現，「做實驗物理當然需要充足的時間去思考科學問題，激發靈感，但真正要在實驗上實現自己的想法，就需要精益求精，追求極致的精神。這也是他認為他們能最先實驗驗證量子反常霍爾效應的最重要的原因之一。
「可能這種方式不是很科學，但它是經過時間驗證的比較有效率的。」雖然現在想起那段時光，仍覺得非常辛苦，但薛其坤坦言這因此讓他更加勤奮。「對搞科研的人來說，勤奮是非常必要的，只有勤奮才能精益求精」。
巧捷萬端
如今已是國際知名實驗物理學家的薛其坤在剛開始讀書時並不喜歡實驗。「應該說我更願意學習課程內容中的理論，對實驗不是特別感興趣，而且做實驗後寫的報告自我感覺很好，卻沒有得到好成績，對我也有點打擊。」不過這並不是真正原因，薛其坤娓娓道來，「很重要的原因是實驗一般是下午做，有時一做一下午，耽誤我踢球。」薛其坤很實在地說，4點半是足球時間，如果5點鐘還沒做完實驗，會覺得十分厭煩。
這位身材瘦削，整日埋頭於實驗室的科學家其實也曾是運動健將，薛其坤曾經是《足球報》的堅實擁躉，期期不落。運動確實是薛其坤的愛好，也許正是這些愛好練就了他強健的體魄，為「7-11」的生活節奏打下了良好基礎。後來他還把中國科研的方向和目標，比作追求體育運動中足球、籃球這樣世界運動的第一，要受到全世界的關注，而非自娛自樂、小打小鬧的冷門項目。
他也曾經是一個熱愛足球的運動少年，也曾經熱衷於沉浸在愛倫坡的推理世界裡，但為了有更多時間進行研究，他幾乎放棄了自己所有的業餘愛好。即使這樣，薛其坤還是覺得時間不夠用，常常說要跟時間賽跑。
石破天驚
從20世紀80年代開始，有關「霍爾效應」的研究已數次斬獲諾貝爾獎。但關於這一家族中的「量子反常霍爾效應」，卻一直進展緩慢，全世界的物理學家都在苦苦探索。
2008年華裔物理學家張首晟提出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實驗量子反常霍爾效應的方向，引發國際競爭。「要找到這種材料，好比要求一個運動員具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的技巧，在實際的材料中實現其中任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來說是一個巨大的挑戰」，王亞愚如此形容實驗的巨大難度。
四年時間，清華大學和中科院物理所的青年團隊在薛其坤的領導下，用了5套精密試驗儀器，先後有20多名學生參與實驗，生長了1000多個樣品，最終生長出了高質量的Cr摻雜（Bi,Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。
實驗室
他永遠不會忘記2012年10月12日晚上10點35分的那條簡訊，當時他剛從實驗室回到家中，學生髮來，「薛老師，量子化反常霍爾效應出來了，等待詳細測量。」他壓抑住心臟的狂跳，立馬打電話過去再三確認情況，冷靜地叮囑學生下一步該怎麼做，要求團隊在最短時間內將成果「衝出來」。在科學發現上，沒有第二，只有第一，他坦言，「當發現一個科研成果時，你會很興奮的，畢竟做了這麼多年的努力，這是專利！如果第二個做出來就會大打折扣。」
兩個月後，完美的實驗數據出現了，最終實驗結果發表在《科學》雜誌上，引發了世界的關注。後來，包括美國、日本和歐洲的頂級團隊都按照他的方法證明了實驗結果，這才讓這一百多年來的「霍爾效應」家族又填上了濃墨重彩的一筆。
或許很多人還不能完全理解這項發現的重要程度，簡單來說，長時間使用計算機會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題，這是因為常態下晶元中的電子運動沒有特定的軌道，它們相互碰撞從而發生能量損耗。量子霍爾效應可以解決這個問題，但它的產生需要非常強的磁場，相當於外加10個計算機大的磁鐵，這樣體積龐大且價格昂貴，顯然不適合個人電腦和攜帶型計算機。而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，即可實現電子的有序運動，更容易應用到人們日常使用的電子器件中。採用這種技術設計集成電路和元器件，千億次的超級計算機有望做成平板電腦那麼大，智能手機的內存可能會提高上千倍！
其實這只是對於一般科普而言通俗的說法，因為這種科學發現，距離實際應用還有很長的路要走，而最初的科學目標也非解決電子器件熱損耗的問題，而是去探尋物理學中本質的美。
曾幾何時，量子反常霍爾效應和高溫超導是物理學界最熱門最前沿的兩個研究課題。目前薛其坤已經在前者邁出了一大步，但還有更多未知在等著他。
鑽堅研微
在絕大多數的新聞報道中，薛其坤的故事總會讓人們覺得非常勵志，也更加接地氣。事實上，薛其坤有非常好的物理天賦。「在工作方面，我想提到薛教授最多的是勤奮，但實際上我認為他的物理直覺非常好，在學術方向上判斷很准，而且這樣的物理直覺不僅僅是由於長期研究獲得的，有物理天分在裡面」，薛其坤清華大學團隊成員、物理系主任王亞愚教授說。他與薛其坤合作多年，最讓他佩服的是薛其坤喜歡去拓展新的領域，而這裡面會遇到很多困難，也有很多行家，但薛其坤願意嘗試，還能給新的領域帶來新的想法，有他個人特色的想法。
王亞愚說，薛教授其實個人很喜歡高溫超導方面的研究，這是世界公認的科學難題。「原來他對超導應該算是外行，2008年後就對這項研究產生了濃厚的興趣，但因為他此前不在這個方向工作，反而帶來了他的研究方法和手段，比如用分子束外延的方法來製備高溫超導的樣品，再去研究它。」這正是他獲得未來科學大獎的獲獎理由之一。
薛其坤承認自己感興趣的研究方向很多，但依然要做理性判斷，「每年、每個月甚至每天你都有可能想到或者了解到有意思的課題，但對一個科學家來說有自己的學術專長，特別是對優秀的科學家應該有實事求是，更加深刻的學術判斷」。大方向找對了，再加上「7-11」的努力，才有了今天的成就，所以，薛其坤並不是「天才只是比別人多努力」，而是「天才比別人還努力」。但他沒承認自己的天賦，他常這樣評價自己：「不算絕頂聰明，但吃苦耐勞、非常勤奮。」
天道酬勤
2004年，他獲得了中國青年科技獎，獲獎原因是他在超導領域發現了納米尺度效應，也是第一次定量地把納米尺度效應引入到超導薄膜的性質調控，調控精度達到了一個單原子層的程度。「在當時國際上是一個非常有意思的科學進展，尤其在傳統超導領域，將超導和納米科學結合在一起，我當時向溫家寶總理彙報了這一成果。」
雖然他獲得過多次大獎，但這一次對他來說仍是記憶猶新的，「當時沒有任何期待，對獎項也不是很了解，因為那個時候只專註自己的科研，得獎感覺就是一個神話，所以感覺非常振奮，更激發了我研究科學的熱情，增強了戰勝困難的決心！」他表示，「作為一個剛步入獨立科學研究的年輕人，需要一個這樣的鼓勵特別是國家的榮譽。因為他最清楚青年科研工作者最需要肯定，來自同事的肯定、老師的肯定、長輩上級的肯定，特別是到了國家層面的肯定。每一次肯定都能夠對他們的工作起到推動作用，激勵他們實現更高的理想。」
他認為中國青年科技獎的設立不僅是對青年科學家的榮譽和鼓勵，同時也起到了文化建設的作用，「因為是國家設立的獎項，會引領社會崇尚科學，追求科學，尊重科學」。
分子束外延-掃描隧道顯微鏡聯合系統
2019年1月8日，2018年度國家科技獎勵大會上宣布薛其坤團隊以「量子反常霍爾效應的實驗發現」獲得了本年度國家自然科學獎項中的唯一的一等獎。國家自然科學獎是他在讀書時候就知道的獎項，在取得這項成就之前，他從未奢望過能夠得到這一獎項，「但是隨著科學研究的進行，尤其當我們的實驗經過國外一流大學驗證後，我有信心自己會走進人民大會堂，從總書記手上接下獎狀」，他笑著說，「不覺得突然。」
從貧困山區一路走上國家最高領獎台，薛其坤所遇到的困難並不比別人少，只是每每在逆境之中，他都自強不息，逆襲有道。更重要的是，他始終保持著對科學真理的追求與探索。
薛其坤還獲得了首屆民間科學獎，獎金高達100萬美元，被認為是中國諾貝爾獎的「未來科學大獎」物質科學獎，表彰他利用分子束外延技術發現量子反常霍爾效應和單層鐵硒超導等新奇量子效應方面做出的開拓性工作。「我是『腰纏萬貫』的科學家」，薛其坤風趣地說。
對於由著名企業家聯名捐贈設立的大獎，薛其坤認為這是企業意識到創新發展的源動力是科學研究的結果，更需要由他們來引領創新氛圍，「對優秀的年輕人加以鼓勵，讓他們樹立更遠大的科學目標，挑戰更重要的科學與技術問題，這是除了國家各種獎勵以外最好的補充。」
當他還是一個沂蒙山少年的時候，沒有想到自己會成為一個科學家。在未來科學大獎頒獎禮上，他把自己比喻為一條始發於沂蒙山區的小船，30多年來這艘小船乘風破浪在地球上轉了一個圈——到濟南讀大學，到曲阜工作，到日本、美國留學，最終回到祖國首都，來到清華大學。
2013年，薛其坤任清華大學副校長，承擔了更多科研管理和學生工作。對進入天命之年的薛其坤來說，他希望用更寬廣的視野，更深厚的閱歷來幫助年輕人，讓他們肩負起我國未來的發展創新，「從這一點來說，這方面的工作比我自己的科研更重要」。水木清華，這裡還有更多的挑戰在等著薛其坤。
文/ 劉辛味
編輯/ 李清波 田雲豐
校對/ 李雲鳳
本文來自「千萬英才」
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