薛其坤：占领下一次信息革命的制高点

钱炜

获奖理由

“量子反常霍尔效应”，这是一个大多数人听不懂的名词。薛其坤和他的团队却以这个发现，正在兴起一场实验室内的革命。

这个发现的意义，不仅仅像著名物理学家杨振宁先生评价的那样，“是从中国的实验室里，第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文”，更为重要的是，薛其坤和他的团队，让中国科学家站在了下一次信息革命的战略制高点上。

如今已是清华大学副校长的薛其坤，依然保留着山东人热情好客的本色。一见到来访者，他就张罗着煮咖啡、拿水果和糕点，并不时劝说，“很好吃，你尝尝啊！”谈话间，他呷了一口手里端的蓝山咖啡，“这是我从国外特意买的。我就这么一个爱好，非常喜欢咖啡。”实际上，他对咖啡的嗜好，正是泡实验室时养成的习惯。

吃苦耐劳，慷慨公正，是个公认的好人，薛其坤的同事、清华大学物理系教授王亚愚这么评价他，“也只有薛老师才能汇聚起这么多人，能去做这项研究。”

王亚愚说的这项研究，指的是北京时间2013年3月15日《科学》杂志在线发表的那项重要工作——薛其坤领衔的团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应。这个发现的重要性普通人似乎很难判断，但是从现年91岁的杨振宁的评价里，人们便能够掂量出分量——在清华大学举行的量子反常霍尔效应新闻发布会上，这位在56年前获得了诺贝尔奖的物理学家说，“这让我想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉我在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天，薛其坤及其团队做出的实验成果，是物理学领域最近几年一个重大的成果，这不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。”

量子反常霍尔效应

2012年10月12日晚10点35分，薛其坤从实验室回家刚把车停好，就收到学生常翠组的一条短信，“薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”这是一个薛其坤等待已久的消息，他和他的团队已经为此努力了4年多。他立即就拨通了常翠组的电话，询问起详情。作为一个富有经验的实验物理学家，薛其坤并没有喜形于色，在简短祝贺后，他强调让大家仔细测量，反复确认，以免结果有什么差错。

如今，这条具有历史意义的短信已经被薛其坤保存在电脑里。要理解他的这项研究，就需要从100多年前谈起。

1879年，美国物理学家霍尔发现，在一个通电导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这就是著名的霍尔效应。上个世纪80年代，物理学家发现了神奇的量子霍尔效应。对此，王亚愚做了个比喻：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。

这也就是说，量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，在量子计算、量子信息存储方面有巨大的应用潜力，据此设计的新一代电子芯片，将会具有极低的能耗。然而，要投入实际运用，它却有个麻烦无法解决——需要一个外加磁场。这个磁场不仅价格昂贵，而且体积庞大，不适合于个人电脑和便携式计算机。

这个问题，等到霍尔再次发现反常霍尔效应时，就有了解决的希望。所谓反常霍尔效应，即不加外磁场也可以观测到霍尔效应。2008年，美国斯坦福大学的华裔科学家张首晟等人提出，在理论上，可以在拓扑绝缘体上实现反常量子霍尔效应。这说起来简单，实际上，能够制作出满足实验需求的拓扑绝缘体非常非常难。

由于对张首晟和这个领域的相关工作很熟悉，再加上薛其坤最擅长的就是材料研究，2008年，薛其坤和他的团队就打算朝着这一目标前进。所谓拓扑绝缘体，简单地说，就是它的内部绝缘，表面可以允许电荷移动。薛其坤研究的拓扑绝缘体材料，只有几个纳米厚。在清华物理系的实验室里，记者用肉眼观察，几乎看不到这种材料的存在，只能看到培养皿里有一小片发灰的区域。“那一小块就是我们生长的材料。”王亚愚解释说。

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。一开始，薛其坤和他的团队沿着国际上其他几个团队类似的技术路线去走，用了一年的时间，却总是失败。于是，他们果断放弃了常规路线，开始尝试用不同的元素和不同的结构来生长材料。就这样反反复复大概试了1000多次，才最终找到最佳的元素搭配与结构。

量子霍尔效应是一个物理上非常神奇的效应，此前，已经有两组科学家因为研究这一问题而分获了1985年与1998年的诺贝尔物理学奖。而薛其坤团队在实验中首次实现的反常量子霍尔效应，是量子霍尔效应家族里最后一个有待发现的重要成员。

眼下的反常量子霍尔效应是在零下273度中实现的，要想实现应用，就需要把温度往上升，大概到零下200度，也就是液氮的温度就有可能产生应用了。因此，这是眼下薛其坤的团队在进一步追求的目标。

励志人生

薛其坤的人生经历，可谓是“知识改变命运”的最好注脚。对此，清华大学物理系前主任朱邦芬院士说，“其坤出生成长在贫困的沂蒙山区，少时的艰苦生活练就了他特别能吃苦的坚韧性格。他遇到过许多困难，但总是乐观面对。”薛其坤自己则开玩笑地说，之所以要来北京读研，是因为家里困难，想在研究生毕业后能找个好工作改善生活。

在山东大学本科毕业后，薛其坤被分配在曲阜师范大学当物理教师。尽管以“孔子故里”而著称，曲阜在山东省并不算是经济发达地区，曲阜师大的学生们毕业后当一名中学教师。为了改变命运，他和自己的学生一样踏上了考研之路。在经历两次失败后，他终于在第三次考研时取得成功，成为中科院物理研究所的研究生。

尽管初期的求学之路走得不太顺，但薛其坤一直很乐观，用朱邦芬的话来说，“他的情商非常高”。过去的坎坷与今天的成就，竟然令薛其坤成为清华学生励志教育的最佳案例，他常常给学生讲述自己“过去的故事”。

薛其坤人生的转机出现在读研期间。受导师委托，他负责接待一位来访的日本教授，当时给对方留下了好印象。由于这个机缘，正在读博士的薛其坤作为联合培养博士生去了日本继续读博士。在物理所的训练和在日本的学习为他如今在拓扑绝缘体方面的研究打下了坚实基础。

在日本的头一年，由于语言不通，薛其坤背负了巨大的压力。就是从那时起，他开启了“7—11”模式生活，即每天上午7点就到实验室开始工作，直到夜里11点下班。长时间的工作，也使他养成了靠喝咖啡来提神的习惯。

从日本回来后，薛其坤的学术之路开始走上正轨。从普通研究员做起，成为研究组组长、实验室主任、首席科学家、清华大学物理系主任……并于2005年当选为中科院院士，又在今年成为“万人计划”中“杰出人才”的首批入选者。

不过，薛其坤向《中国新闻周刊》记者解释说，他现在已经不是“7—11”了，而是“8—12”，即上午8点开始工作直至夜里12点。这是因为，他们所做的的量子物理实验很容易受外界干扰，即使是外面道路上有车开过也会有轻微影响。因此，他们的实验往往都要在晚上相对安静的时候开展，所以他的生物钟也跟着往后拨了一个小时。

尽管出身寒门，薛其坤行事却有大家风范。“我们去日本开会，薛老师拿自己的钱给学生发零花钱。他手里存不住东西，经常有哪个学生或者同事夸他的东西好，他当场就送给人家”，王亚愚用一种近乎惊叹的语气描述道。在科研中，他也是如此。“他从不强调自己的贡献，而是强调团队，出了成果有什么奖励，他也都尽量照顾年轻人，因此，薛老师能让大家服他。”

如今，已成为“领导”的薛其坤除了做科研、参加各种学术交流活动、主持项目申报和评审，还要参加学校的行政管理工作。这一切都需要时间。对此，他用坦率的语气说，“我正在努力寻找一个支点，使得我在不减少科研工作有效性的同时，在别的方面也能做出贡献。但是如果有一天，我发现行政工作影响了科研，我想，我会毅然决然地选择辞去。”

简介：

薛其坤，1963年生，清华大学副校长，中国科学院院士、材料物理学家。主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、低维超导电性等。曾获中国科学院杰出科技成就奖、求是杰出科技成就集体奖，今年获“万人计划”杰出人才奖。由薛其坤院士领衔的科研团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，是中国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理现象，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。