做好量子世界的“笨人” 物理學(xué)家薛其坤：要十分勤奮，且持之以恒

每經(jīng)記者 丁舟洋  唐俊    每經(jīng)編輯 梁梟    

幾乎在所有面對(duì)普通公眾的交流場(chǎng)合時(shí)，薛其坤都需要“先用通俗的語言”向人們解釋，他和團(tuán)隊(duì)的研究是什么。

“量子反超霍爾效應(yīng)”“拓?fù)浣^緣體”“高溫超導(dǎo)機(jī)理”這些拗口的科學(xué)名詞，就是薛其坤沉潛探索的量子世界。這些謎題在薛其坤團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室中得到突破，能為AI、超級(jí)計(jì)算機(jī)等前沿產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供有力支撐。

比如，隨著AI深度學(xué)習(xí)模型復(fù)雜難度的增加，對(duì)算力的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而算力的提高往往伴隨著高能耗，高性能計(jì)算機(jī)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，也需要大量冷卻系統(tǒng)來防止設(shè)備過熱。

薛其坤的上述研究，將為發(fā)展低能耗電子器件帶來更多希望。能耗和溫度正是超級(jí)計(jì)算機(jī)需要解決的重要問題。2012年，薛其坤帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在世界上首次觀測(cè)到“量子反?；魻栃?yīng)”，楊振寧稱贊這是“諾獎(jiǎng)級(jí)”的發(fā)現(xiàn)，“是科學(xué)界的喜事，是整個(gè)國家的喜事”。

11月3日，在一年一度的全球頂尖科學(xué)大會(huì)——2024騰訊科學(xué)WE大會(huì)上，《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者見到了國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者、中國科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤。

薛其坤在2024騰訊科學(xué)WE大會(huì)上演講

圖片來源：主辦方供圖

面對(duì)臺(tái)下一個(gè)個(gè)慕名而來的青少年聽眾，薛其坤從初中物理的歐姆定律切入，聊到奇妙的量子世界。他也在其間接受了媒體的采訪。

聆聽物理學(xué)家的講述，鼓舞人心的不僅是他的研究成果，更是他孜孜不倦的精神。作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，下苦功夫必不可少，在捕捉到成功曙光前，面對(duì)一年年的“失敗”也是常有的事。但在年過花甲的薛其坤描述中，聽眾感受到的是踏實(shí)與滿足。

“探索的過程中，我們忘掉時(shí)間，忘掉周圍的小環(huán)境。”薛其坤說，“通過這種‘著迷式’的科學(xué)研究，探索這個(gè)世界的奧秘，有時(shí)候可能會(huì)推動(dòng)一些新技術(shù)，服務(wù)社會(huì)的發(fā)展。”

籃球打得賽姚明，跑步堪比博爾特，跳水要像全紅嬋

“我是一艘從沂蒙山區(qū)駛出的小船。”中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤曾在未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)典禮上，這樣形容自己，“父母給了小船生命；小船有毛病了，導(dǎo)師幫忙修修，方向不對(duì)了，導(dǎo)師給指導(dǎo)指導(dǎo)；我的學(xué)生賦予了小船更青春的生命??”

薛其坤的故事，起點(diǎn)并非學(xué)霸“一路開掛”，而是典型的“寒門學(xué)子”勵(lì)志逆襲。1963年，他出生在山東沂蒙山區(qū)的小村莊，家里兄弟姐妹眾多，他也曾當(dāng)過“放牛娃”?；謴?fù)高考后，他高考物理只差1分滿分，隨后走上物理研究這條路。

但他也常拿自己“考研考了三次”來鼓勵(lì)學(xué)生們，將挫折視作成長(zhǎng)的機(jī)遇。見過薛其坤的人，恐怕都難以忽視他濃重的山東沂蒙口音。他本人也不介意調(diào)侃：“我剛到北京的時(shí)候，連普通話都說不標(biāo)準(zhǔn)，又怎么說流利的英語呢？”讀研后，薛其坤的導(dǎo)師獎(jiǎng)勵(lì)他去美國做報(bào)告的機(jī)會(huì)。為了克服語言問題，他將這個(gè)20分鐘的報(bào)告練習(xí)80多遍，對(duì)時(shí)間的把握到了出神入化的程度，基本上能精確到提前5秒鐘結(jié)束。

被推到公眾面前的，是薛其坤與團(tuán)隊(duì)2012年年底在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的“量子反?；魻栃?yīng)”。2020年—2023年，薛其坤接連獲得國際物理界大獎(jiǎng)。他也在2024年6月獲得國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，是該獎(jiǎng)項(xiàng)自2000年首屆評(píng)選以來最年輕的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

薛其坤在實(shí)驗(yàn)室 圖片來源：央視視頻截圖

在凝聚態(tài)物理研究中，量子霍爾效應(yīng)的研究一直被科學(xué)家們高度關(guān)注，此前在這方面的研究已經(jīng)三次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子霍爾效應(yīng)為什么如此重要？從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度來說，它為制備低能耗的高速電子器件提供了理論基礎(chǔ)，但實(shí)現(xiàn)難度很大，因?yàn)樾枰饧育嫶蟮拇艌?chǎng)，費(fèi)用昂貴。而量子反?；魻栃?yīng)不依賴強(qiáng)磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/p>

因此，從量子反?；魻栃?yīng)被發(fā)現(xiàn)的一百多年來，通過什么方法實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)，使其現(xiàn)身并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難度極大，一直是世界上無數(shù)科學(xué)家奮力追尋而不得的科學(xué)目標(biāo)。

“實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量子反?；魻栃?yīng)，最大的挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)材料的精確控制。”在2024騰訊科學(xué)WE大會(huì)期間，薛其坤告訴記者，“控制材料的濃度、質(zhì)量、精度，我們團(tuán)隊(duì)20多人，奮斗四年多，不斷制備出不同配比的樣品，進(jìn)行霍爾效應(yīng)的測(cè)量，如果有實(shí)現(xiàn)的可能，就在其附近進(jìn)行第二種材料的生長(zhǎng)，總共實(shí)驗(yàn)了上千種樣品。”

“這個(gè)材料是‘三不像’的矛盾體，它有磁性、拓?fù)湫?、還要絕緣，還要把它做成薄膜。這就好比要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，籃球打得像姚明那么好，跑得像博爾特那么快，跳水還要像全紅嬋那么凌厲，這樣的配置非常難。”

薛其坤在2024騰訊科學(xué)WE大會(huì)上演講

圖片來源：主辦方供圖

演講中，薛其坤展示了該團(tuán)隊(duì)“抓住”量子反?；魻栃?yīng)的樣品。“大家可以看到很多電極，電極之間有三塊，每一個(gè)方塊上面就是我們首先觀察到量子反常霍爾效應(yīng)的樣品。”

“顯微鏡下的照片，每一個(gè)亮點(diǎn)代表一個(gè)原子，在這么一個(gè)范圍內(nèi)，你找不到一個(gè)缺陷，而且薄膜是原子級(jí)的平整。這說明我們對(duì)材料的純度非常高，我們?cè)谄渌牧弦材茏龅竭@個(gè)水平。這為我們發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)奠定了非常好的基礎(chǔ)。”

“要十分勤奮，且持之以恒”

以往的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)更多偏向應(yīng)用領(lǐng)域，而薛其坤的研究成果屬于基礎(chǔ)研究。

基礎(chǔ)研究是科學(xué)體系的源頭、所有技術(shù)的總機(jī)關(guān)。但基礎(chǔ)科研具有不確定性，在撥動(dòng)那個(gè)開關(guān)之前，薛其坤并不知道“科學(xué)之神”何時(shí)會(huì)降臨。為了不斷接近這個(gè)時(shí)刻，他付出了“十二分”的努力。

薛其坤在實(shí)驗(yàn)室 圖片來源：央視視頻截圖

薛其坤被學(xué)生們稱為“711”先生，因?yàn)樗Ｄ陱脑缟?點(diǎn)開始工作，一直到晚上11點(diǎn)才結(jié)束，這是他在日本留學(xué)期間形成的習(xí)慣。1992年，薛其坤前往國外學(xué)習(xí)，強(qiáng)烈感覺到彼時(shí)中國與發(fā)達(dá)國家的差距。很多人不適應(yīng)“711”的實(shí)驗(yàn)室模式，但薛其坤只覺得分秒必爭(zhēng)。

“人家（發(fā)達(dá)國家）也是經(jīng)過了多少年的積累，我們要想盡快減少這種差距的話，肯定要多付出一些。”在談到那段留學(xué)經(jīng)歷時(shí)，薛其坤曾說。

事實(shí)證明，薛其坤取得的成就甚至超過了自己的想象，而他把這一切歸因于“1分天賦、99分努力”。“既然不是‘天才’，那就做個(gè)‘笨人’吧。做好一個(gè)‘笨人’，才是不容易的。”

1998年薛其坤回國，2005年調(diào)入清華大學(xué)物理學(xué)系，2020年成為南方科技大學(xué)校長(zhǎng)。如今，已經(jīng)61歲的薛其坤，依然保持著“711”的工作模式，“一周干七天，幾乎沒假期，我是非常非常勤奮的”。

薛其坤在實(shí)驗(yàn)室 圖片來源：央視視頻截圖

在演講現(xiàn)場(chǎng)，薛其坤再次提及努力的重要性。他要求他的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的把握了如指掌，要求他們把握好每一個(gè)細(xì)節(jié)，把每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都做到極致。“但是要做到這一點(diǎn)，需要十分勤奮，而且要持之以恒。”

最近，薛其坤團(tuán)隊(duì)的努力方向是攻克高溫超導(dǎo)機(jī)理。所謂高溫超導(dǎo)，是指材料在相對(duì)高溫條件下（高于液氮溫度77K，即零下196.15攝氏度以上），表現(xiàn)出零電阻和完全抗磁性的特點(diǎn)。

盡管科學(xué)家們已經(jīng)提出了許多理論模型和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但高溫超導(dǎo)的確切機(jī)理仍然是一個(gè)未解之謎。薛其坤繼續(xù)沿著基礎(chǔ)研究的方向，希望能弄明白背后的機(jī)理，這也是當(dāng)今物理界非常重要的前沿課題。

“高溫超導(dǎo)的機(jī)理是凝聚態(tài)物理學(xué)的世紀(jì)難題，如果我們把謎底揭開了，就有可能設(shè)計(jì)出高溫超導(dǎo)材料，在室溫下甚至更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這將是對(duì)全人類的重要貢獻(xiàn)。”他在2024騰訊科學(xué)WE大會(huì)期間接受采訪時(shí)說。

薛其坤日復(fù)一日地辛勤工作，他總是對(duì)夜深人靜時(shí)待在實(shí)驗(yàn)室樂在其中。在他看來，科研探索非常有意思，在探索的過程中甚至有時(shí)會(huì)忘掉時(shí)間、忘掉周圍的環(huán)境。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)特別是基礎(chǔ)研究，常常會(huì)導(dǎo)致顛覆性的技術(shù)發(fā)展。薛其坤希望年輕人保持小時(shí)候?qū)ψ匀坏暮闷嫘?，熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)，也敢于從事科學(xué)。“以十年磨一劍的堅(jiān)定決心和頑強(qiáng)意志，只爭(zhēng)朝夕，埋頭苦干，一步一個(gè)腳印地把科技強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”