探索量子世界的魔法師：薛其坤院士的科學(xué)之旅

出品：科普中國

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

監(jiān)制：中國科普博覽

在我們?nèi)粘Ｉ钪?，科技的進(jìn)步無處不在，從智能手機(jī)到高鐵，從人工智能到新能源。然而，在這些看得見摸得著的科技背后，還有一個神奇的量子世界正在被科學(xué)家們探索著。

在這個微觀世界里，有一位中國科學(xué)家正在書寫著屬于自己的傳奇。他就是2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎的獲得者之一——薛其坤院士。讓我們一起走進(jìn)薛其坤院士的科學(xué)世界，了解他在量子物理領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。

薛其坤，中國科學(xué)院院士，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域著名科學(xué)家?，F(xiàn)為清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長。

（圖片來源：科技日報）

從農(nóng)村少年到世界級物理學(xué)家：薛其坤院士的科學(xué)之路

薛其坤院士1963年出生于山東省臨沂市的一個普通農(nóng)村家庭。在那個物質(zhì)條件匱乏的年代，年輕的薛其坤院士卻對自然科學(xué)充滿了好奇和熱愛。1982年，他考入山東大學(xué)光學(xué)系激光專業(yè)，開始了自己的物理學(xué)習(xí)之旅。大學(xué)期間，薛其坤院士展現(xiàn)出了卓越的學(xué)習(xí)能力和科研天賦，這為他日后的科研工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

薛其坤院士與高中同學(xué)的合影

（圖片來源：央視新聞）

1987年，薛其坤院士考入中國科學(xué)院物理研究所攻讀碩士學(xué)位，隨后又在該所獲得博士學(xué)位。在攻讀博士學(xué)位期間，薛其坤院士就已經(jīng)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域嶄露頭角，發(fā)表了多篇高質(zhì)量論文。

1992年，薛其坤院士前往日本東北大學(xué)進(jìn)行科研工作，開始了他在國際舞臺上的科研生涯。回國后，他先后在中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)任職。2005年，他當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，成為當(dāng)時最年輕的中國科學(xué)院院士之一。薛其坤院士的科研之路，從農(nóng)村少年到世界級物理學(xué)家，展現(xiàn)了一個科學(xué)工作者應(yīng)有的執(zhí)著和熱情。

量子反?；魻栃?yīng)：薛其坤院士的重大突破

在薛其坤院士眾多科研成果中，最為矚目的當(dāng)屬2013年實現(xiàn)的量子反?；魻栃?yīng)實驗。這個突破性發(fā)現(xiàn)被《科學(xué)》雜志評為2013年度十大科學(xué)突破之一，也是中國科學(xué)家首次以第一作者身份發(fā)表的研究成果入選該榜單。

那么，什么是量子反?；魻栃?yīng)呢？要理解這個概念，我們先要了解普通的霍爾效應(yīng)。

當(dāng)電流通過一個處于磁場中的導(dǎo)體時，電子會受到磁場力的作用而偏向一側(cè)，導(dǎo)致導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓差，這就是霍爾效應(yīng)。而量子反?；魻栃?yīng)則是在沒有外加磁場的情況下，材料本身就能產(chǎn)生類似的效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)示意圖，（1）電子；（2）導(dǎo)體；（3）磁鐵；（4）磁場；（5）電源

（圖片來源：維基百科）

薛其坤院士團(tuán)隊通過在磁性拓?fù)浣^緣體中實現(xiàn)了這一效應(yīng)。他們制備了一種特殊的材料，在極低溫度下，這種材料的邊緣會自發(fā)產(chǎn)生無損耗的電流。這個發(fā)現(xiàn)不僅具有重要的科學(xué)意義，還可能在未來的電子器件中得到應(yīng)用，有望大幅降低電子設(shè)備的能耗。

這項成果的重要性在于，它不僅驗證了理論物理學(xué)家們多年來的預(yù)言，還為探索新型量子現(xiàn)象和發(fā)展下一代電子器件開辟了新的道路。正如薛其坤院士所說：“這項工作為人類認(rèn)識自然規(guī)律、發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)提供了新的機(jī)遇?！?/p>

二維量子材料：開啟納米世界的大門

除了量子反?；魻栃?yīng)，薛其坤院士在二維量子材料研究領(lǐng)域也取得了重大突破。二維材料是指厚度只有一個或幾個原子層的超薄材料，因其獨特的物理性質(zhì)而備受關(guān)注。

薛其坤院士團(tuán)隊在二維材料的制備和性質(zhì)研究方面做出了卓越貢獻(xiàn)。他們開發(fā)了一種被稱為“分子束外延”的技術(shù)，可以在原子尺度上精確控制材料的生長過程。利用這種技術(shù)，他們成功制備出了高質(zhì)量的二維拓?fù)浣^緣體薄膜。

拓?fù)浣^緣體是一類新型量子材料，其內(nèi)部是絕緣體，但表面卻能夠無阻礙地傳導(dǎo)電流。薛其坤院士團(tuán)隊的工作為深入研究這類材料的量子特性提供了重要的實驗平臺。

此外，薛其坤院士團(tuán)隊還在二維超導(dǎo)體研究方面取得了突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，某些二維材料在極低溫度下會表現(xiàn)出超導(dǎo)性，即電阻降為零，電流可以無損耗地傳輸。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對超導(dǎo)現(xiàn)象的理解，還為開發(fā)新型超導(dǎo)器件提供了可能。

薛其坤院士團(tuán)隊?wèi)c祝取得科研進(jìn)展

（圖片來源：央視新聞）

培養(yǎng)下一代科學(xué)家：薛其坤院士的教育理念

作為一名教育工作者，薛其坤院士十分重視人才培養(yǎng)。在清華大學(xué)任教期間，他培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的物理學(xué)人才?，F(xiàn)在作為南方科技大學(xué)的校長，他更是將自己的教育理念付諸實踐，致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和國際視野的科技人才。

薛其坤院士工作照

（圖片來源：科技日報）

薛其坤院士認(rèn)為，科學(xué)教育不應(yīng)該只是知識的灌輸，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。他常常鼓勵學(xué)生要有“挑戰(zhàn)權(quán)威”的勇氣，不盲目崇拜學(xué)術(shù)權(quán)威，而是要敢于提出自己的想法。

在教學(xué)中，薛其坤院士特別強(qiáng)調(diào)動手實踐的重要性。他認(rèn)為，物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，學(xué)生只有親自動手做實驗，才能真正理解物理概念，培養(yǎng)科學(xué)直覺。在他的影響下，許多學(xué)生從本科階段就開始參與前沿科研項目，為日后的科研工作打下堅實基礎(chǔ)。

薛其坤院士還十分重視國際交流。他鼓勵學(xué)生積極參與國際學(xué)術(shù)會議，與世界各地的科學(xué)家交流。他說：“科學(xué)沒有國界，我們的學(xué)生要有全球視野，要敢于在國際舞臺上展示自己?！?/p>

作為南方科技大學(xué)的校長，薛其坤院士正在努力將這所年輕的大學(xué)打造成為世界一流研究型大學(xué)。他希望通過創(chuàng)新的教育模式，培養(yǎng)出能夠引領(lǐng)未來科技發(fā)展的拔尖創(chuàng)新人才。

薛其坤院士指導(dǎo)學(xué)生做實驗

（圖片來源：央視新聞）

結(jié)語

薛其坤院士的科學(xué)之旅，從山東的小村莊到世界科學(xué)的最前沿，展現(xiàn)了一個科學(xué)家的執(zhí)著追求和創(chuàng)新精神。他在量子物理領(lǐng)域的突破性成果，不僅推動了人類對微觀世界的認(rèn)知，還為未來科技發(fā)展開辟了新的可能。

2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎的授予，是對薛其坤院士多年來科研工作的最高嘉獎，也彰顯了國家對基礎(chǔ)科學(xué)研究的高度重視。在當(dāng)今世界，量子科技已經(jīng)成為國際科技競爭的制高點，薛其坤院士的研究工作無疑為我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。