薛其坤：披荊斬棘叱咤量子競技場

新華社發(fā)

人物簡介

薛其坤，1963年生，清華大學教授、中國科學院院士。南方科技大學黨委副書記、校長，北京量子信息科學研究院院長，粵港澳大灣區(qū)量子科學中心主任。

薛其坤是凝聚態(tài)物理領域著名科學家，取得多項引領性的重要科學突破。他率領團隊首次實驗觀測到量子反常霍爾效應，在國際上產(chǎn)生重大學術影響；在異質(zhì)結(jié)體系中發(fā)現(xiàn)界面增強的高溫超導電性，開啟了國際高溫超導領域的全新研究方向。進入信息時代，芯片已然成為處理信息的“大腦”。在指甲蓋大小的芯片里封裝數(shù)十億個晶體管，堪稱人類最復雜的壯舉之一?？墒?，當數(shù)據(jù)量指數(shù)性爆發(fā)，僅憑集成更多晶體管不再“一招鮮”，元器件的發(fā)熱問題成為限制算力提升的瓶頸。而量子反?；魻栃?，則提供了實現(xiàn)超高性能電子器件的可能性。

“超海量數(shù)據(jù)時代會對信息的存儲和處理提出極高的要求，需要一種完全創(chuàng)新的計算機，實現(xiàn)類似于超導、電阻等于零的無能耗輸運?！蹦蹜B(tài)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(zhì)、電子和電子會不斷碰撞，產(chǎn)生電阻、發(fā)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(guī)矩”起來，沿著邊界不受阻礙地運動，這種有趣的現(xiàn)象叫做量子霍爾效應。假如能找到一種特殊材料，既有自發(fā)磁化，電子態(tài)又具有拓撲結(jié)構，則有可能在不外加磁場的情況下產(chǎn)生量子霍爾效應。這就是量子反常霍爾效應。

多年來，量子反?；魻栃缤粋€傳說中的“寶藏”，讓各國物理學家魂牽夢繞，卻沒人能證明它真實存在。

經(jīng)過數(shù)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(zhì)材料的薄膜，首次在實驗室找到了這個“寶藏”。

6月24日，薛其坤獲得2023年度國家最高科學技術獎。

進入“沒有賽道的競技場”

1980年代，國際量子材料和物態(tài)領域基礎研究迎來爆發(fā)式發(fā)展。整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應等多項發(fā)現(xiàn)，開啟了拓撲量子物態(tài)這一新研究領域，并為發(fā)展低能耗電子器件帶來了新的可能。

不過，量子霍爾效應的產(chǎn)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(fā)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。此后20多年里，在真實材料中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應，一直是凝聚態(tài)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(xiàn)量子反常霍爾效應。但要在實驗中實現(xiàn)這一效應卻極為困難。因為反?；魻栃牧孔踊?，需要材料的性質(zhì)同時滿足三項非?？量痰臈l件：一是材料的能帶結(jié)構必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態(tài)，即一維導電通道；二是材料內(nèi)必須具有長程鐵磁序，從而無需借助外磁場而存在反?；魻栃蝗遣牧象w內(nèi)必須為絕緣態(tài)，對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態(tài)參與導電。在實驗中，想實現(xiàn)以上任何一點都很難，即使在理論上，能否同時滿足這三個條件也存在很大不確定性。因此，有人將這項全球?qū)嶒炍锢韺W家面臨的巨大挑戰(zhàn)，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(jié)合的獨特技術手段，開始對拓撲絕緣體開展研究。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(fā)展出嚴格控制材料組分的三溫度法，生長出國際上質(zhì)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(jié)構演化。這項成果為基于拓撲絕緣體薄膜的大量后續(xù)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(tài)的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質(zhì)，在國際上產(chǎn)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躋身國際領先行列。

在此基礎上，薛其坤將目光投向了量子反?；魻栃！皩τ诳茖W家來講，這是一個非常奇妙的物理現(xiàn)象，我們很希望把這個謎揭開，看看它到底是不是存在。而且，在國家支持下，我們的相關實驗技術也達到了這個水平?！彼f，“正可謂天時地利人和?！?/p>

2009年，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”。

一條保存了12年的短信

“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尋找量子反常霍爾效應，并邀請我們一起攻關來發(fā)現(xiàn)這個效應?！鼻迦A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、中國科學院物理研究所、美國斯坦福大學的合作者們，基于所獲得的高質(zhì)量拓撲絕緣體薄膜，開始對量子反?；魻栃M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。薛其坤介紹說，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(jié)構、材料和物理性質(zhì)之間的內(nèi)在關聯(lián)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(xiàn)通過薄膜化學組分比例和電場效應，調(diào)控拓撲表面態(tài)的能帶結(jié)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(jù)統(tǒng)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、絕緣性和拓撲性，是實現(xiàn)量子反?；魻栃睦硐氩牧舷到y(tǒng)?！懊總€樣品從生長到測量，至少需要三四天時間?！毖ζ淅ふf，“大家把能力發(fā)揮到了極致，他們付出的努力令人驚訝?！?/p>

2012年初，工作遇到瓶頸。“所有需要的條件我們似乎都已經(jīng)達到了，但是得到的結(jié)果離最終的成功還很遙遠?！眻F隊成員、清華大學物理系教授何珂回憶說。

薛其坤并不認為這是失敗?！霸趯嶒炆?，如果我們達不到目標，說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。在科學探索中，把不通的路找出來也是貢獻?！彼f。

在他的鼓勵和開導下，大家重新靜下心來，并決定轉(zhuǎn)變思路，做“減法”，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?；魻栃醪桔E象，于是迅速給薛其坤發(fā)了短信?！澳翘煳一丶以缫稽c，大概十點半左右，剛停下車就收到消息?！毖ζ淅Υ擞洃洩q新，“當時非常激動，也很欣慰?！?/p>

“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(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃⒉淮嬖??！毖ζ淅ふf，“最終我們在基礎研究中發(fā)現(xiàn)了這一科學規(guī)律。對于科學家來講，這是一種莫大的幸福?！?/p>

努力推動成果應用

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

“這個成果的產(chǎn)生，應該是對國家、人民長期大力支持的回報?！毖ζ淅け硎?。

成果發(fā)表后，產(chǎn)生了巨大的國際學術影響，得到了楊振寧等著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(fā)起的諾貝爾論壇作特邀報告，還在2014年國際分子束外延大會、2014年國際半導體物理大會等相關領域最有影響力的國際會議上作大會特邀報告。

該成果也推動了相關研究的快速發(fā)展。此后數(shù)年間，各國研究者通過對磁性拓撲絕緣體材料性質(zhì)的改進，將量子反常霍爾效應的實現(xiàn)溫度從0.03開爾文（K）提升到1開爾文以上。美國、日本、德國等國的國家計量機構均開展了基于量子反?；魻栃碾娮枇孔訕藴恃芯?，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(tǒng)、內(nèi)稟磁性拓撲絕緣體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角石墨烯、轉(zhuǎn)角過渡金屬硫化物系統(tǒng)中被觀測到。如今，量子反?；魻栃嚓P研究已成為國際物理學發(fā)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(xù)引領著該方向的國際學術進展。他們與合作者在2018年首次發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，這種材料具有規(guī)則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實現(xiàn)更高工作溫度的量子反?；魻栃瑥亩蛊淠茉陔娮悠骷袘?。這一發(fā)現(xiàn)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(tài)存在的證據(jù)，進一步增大了基于此材料實現(xiàn)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，使它盡快應用到實際中去。這是我們正在努力的方向?！毖ζ淅ふf。

山區(qū)走出的戰(zhàn)略科學家

薛其坤曾自比為“一艘從沂蒙山區(qū)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，自己當時“不算特別努力，中規(guī)中矩完成了學業(yè)”。畢業(yè)那年，他沒考上研究生，工作兩年后又考，再次落榜。1987年，他考入中國科學院物理研究所，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(lián)合培養(yǎng)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(yǎng)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(huán)境。這是非常難得的機遇，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(yǎng)成了極為嚴謹?shù)膶嶒灴茖W研究態(tài)度。

1994年，薛其坤回國完成答辯，在中國科學院物理研究所獲得博士學位，隨后繼續(xù)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，他回國，在中國科學院物理研究所擔任研究員。2005年起，他任清華大學物理系教授。

“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(fā)達國家的巨大差距?！毖ζ淅ふf，“這種經(jīng)歷堅定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?！?/p>

帶著這份信念，薛其坤投身于祖國科研事業(yè)，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、更晚離開實驗室，但沒人能像他那樣多年如一日地堅持。

如今，他已成為我國在量子科技領域的杰出戰(zhàn)略科學家。除了量子反?；魻栃€帶領團隊發(fā)現(xiàn)界面增強高溫超導，實現(xiàn)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。

在人才培養(yǎng)、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(yǎng)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(qū)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。

來源丨科技日報