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实验物理学家薛其坤——

在物理学前沿长跑

2024-06-25 来源:《人民日报》收藏

  人物小传

  薛其坤,清华大学教授,中国科学院院士、实验物理学家。1963年生,山东蒙阴人。1984年在山东大学获得学士学位,1994年在中国科学院物理研究所获得博士学位。先后在中国科学院物理研究所、清华大学、南方科技大学工作,是改革开放后我国成长起来的杰出科学家之一。

  早上7点到实验室、晚上11点离开,这样的作息,薛其坤(见图,清华大学供图)雷打不动坚持了30多年。

  薛其坤的研究领域是凝聚态物理,是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系的学科,是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。在这一领域,薛其坤率领团队不断突破,创造性地发展了一系列国际通用的实验技术,取得量子反常霍尔效应、界面高温超导等原创性科学发现。

  不断攀登高峰,动力何来?“对科学研究的热情与执着,对推进国家科技进步的责任和信念,促使我努力向前。”薛其坤说。

  “不跟风,专注于做‘从0到1’的研究”

  “不跟风,专注于做‘从0到1’的研究”,这是薛其坤的合作者和学生对他科研态度的评价。

  量子反常霍尔效应是一个新领域,在推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展上应用前景很大,成为全球凝聚态物理学家关注的焦点。

  从2009年起,薛其坤带领团队,对量子反常霍尔效应的实验发起冲击。虽然团队前期完成了很好的基础性工作,但量子反常霍尔效应出现的实验条件非常苛刻。能否找到合适的材料,在这种材料中又能不能观测到量子反常霍尔效应,一切都是未知数。

  认准这座科研高峰,薛其坤义无反顾地去攀登。

  先后生长测量了1000多个样品、一步步提高样品质量,2012年底,薛其坤团队终于成功在实验中观测到量子反常霍尔效应。这是在反常霍尔效应提出131年后,人类首次观测到反常霍尔效应的量子化。2013年,该成果在《科学》杂志上发表,被审稿人评价为“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

  在认知范围内,挑战最有价值的研究,贯穿薛其坤做科研的始终。

  2005年到清华大学工作,薛其坤瞄准长期困扰物理学界的难题——高温超导。这一探索就是8个年头。2012年,他带领团队发现了单层铁硒与钛酸锶衬底结合而产生的界面高温超导。该发现挑战主流共识,增进了科学界对超导材料的认识,国际超导界开展大量追踪研究。这是高温超导领域,我国科学家开辟的全新研究方向。

  薛其坤并未止步。2017年,团队将量子反常霍尔效应观测温度提高了一个数量级,并首次实现量子反常霍尔效应多层结构;2018年,团队与合作者首次发现一种内禀磁性拓扑绝缘体,开启了国际上又一个热点研究方向……

  今天,沿着量子反常霍尔效应以及相关量子态的应用研究、高温超导机理研究两个方向,薛其坤团队正开展新一轮攻关。“这是国际凝聚态物理领域最关注的研究方向,我们要努力站在世界前沿。”薛其坤说。

  “夜深人静时,与论文、数据打交道,那种感觉很纯粹、很幸福”

  理论物理学家的预言对不对,往往需要实验物理学家长时间去验证。

  做量子反常霍尔效应实验,薛其坤团队用来实验的样品,仅有5纳米厚,制备每一个都非常不易。这样的样品,4年中,他们做了1000多个。

  实验失败是家常便饭。每次失败后,薛其坤就会再次带领团队优化样品、改进方法。再失败、再优化、再改进,一路上“循环往复”,直至实验成功。

  2012年初,从理论上看,团队似乎解决了所有能想到的问题,然而,量子反常霍尔效应的实验结果离最终的成功还非常遥远。团队成员、清华大学物理系教授何珂回忆,那段时间大家压力很大,“担心研究就此停滞不前”。

  关键时刻,薛其坤给团队打气。他常用自己“做针尖”的故事鼓励团队。攻读硕士期间,薛其坤用到的实验仪器是场离子显微镜,样品是金属针尖。他在导师的严格监督下,每天至少要试做3个针尖,两年做了1000多个针尖。其间虽没有发表任何文章,但熟练掌握的实验技术,对后续工作帮助很大。在薛其坤的鼓舞下,团队经过一轮轮冲刺,最终实现了技术突破。

  薛其坤身上这股子韧劲从何而来?薛其坤说,自己生长于山东蒙阴县的山村,是沂蒙山里出来的孩子,不怕挫折,“皮实”。自己打小就想当科学家,一路追梦,也遇到不少挫折。经历了3次考研,直到1987年,薛其坤才考上研究生,进入中国科学院物理研究所凝聚态物理专业学习。

  在实验室,日复一日观察样品、整理数据,薛其坤不以为苦,而以此为快乐和享受。薛其坤说,“每当实现重大突破的时候,那种满足感是其他事情很难替代的。”也正是这种满足感,鼓舞着他在物理学前沿持续长跑。

  如今,薛其坤有了澳门金沙官网_中国体彩网手机版app:身份。2013年起担任清华大学副校长,2020年起任南方科技大学党委副书记、校长……身兼科学研究、人才培养、行政管理等多项职责,无论角色怎么变,他对科研的极致追求没有变。“夜深人静时,与论文、数据打交道,那种感觉很纯粹、很幸福。”薛其坤说。

  “中国人要有学术自信,要敢于去挑战重大科学难题”

  实现量子反常霍尔效应,材料需要既具备磁性又是绝缘体,由于磁体通常为导体,这是一个自相矛盾的要求。

  说来也巧,在清华大学物理系教授王亚愚眼中,一些看似矛盾的地方,也完美融合在薛其坤身上。

  薛其坤对学生和蔼亲切,他会给实验室学生带夜宵,与学生们打成一片;看到学生在实验操作上有一点马虎,他又会严厉批评,严肃告诫学生“做实验必须专心致志”。

  薛其坤身上有中国人传统的一面,但作为科学家的他却处处求“新”。王亚愚回忆,对待研究,薛其坤倡导独立思考,对与主流学术认识不一致的观点很有兴致,像一位“搅局者”,总希望给科研带来一些意外。

  而说起功劳,薛其坤总强调,现代科学研究是团队合作的结晶,没有多个优秀实验团队紧密高效合作,不可能有量子反常霍尔效应等重大原创突破。

  薛其坤非常看重对学生的培养。清华大学物理系教授肖志刚说,碰到写文章不太认真的学生,薛老师会要求学生反复修改论文,且每一个版本都发给他,他会一一对照其中的差别;学生科研遇到困难,他又会及时鼓励,并给他们送去指导。这些年来,薛其坤率领的团队成员或培养的学生中有1人当选中国科学院院士,30余人次入选国家级人才计划。

  凭借在量子反常霍尔效应方面的创新突破,2023年10月,美国物理学会宣布,薛其坤获得奥利弗·巴克利奖。自1953年授奖以来,这项国际凝聚态物理领域的最高奖,首次颁发给中国籍物理学家。此前,薛其坤已作为第一完成人荣获2018年度国家自然科学奖一等奖,并获得国际低温物理最高奖——菲列兹·伦敦奖。像这样有分量的荣誉,薛其坤还有不少。

  “中国人要有学术自信,要敢于去挑战重大科学难题。”在薛其坤看来,解决重大科学难题、关键技术难题,是中国科学真正走向世界的标志,“我将尽己所能,作出澳门金沙官网_中国体彩网手机版app:的贡献。”(本报记者 喻思南)

(责任编辑:谢沂楠)

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