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科学科学家-发现量子反常霍尔效应是下一程科学研究的开始

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薛其坤說,他的心中有許多“責任”,這些責任是具體而又多維度的。為著這些責任和使命,他樂於整日待在實驗室里做研究;樂意從大學講臺到小學課堂,為孩子們做科普、講科學;也願意抽出時間去世界各地作學術報告。

就在剛剛過去的6月底,薛其坤和其他幾位科學家一起去了歐洲幾個國家。這段行程異常忙碌,每到一處,學術報告、交流、討論都是滿滿噹噹。但薛其坤說,他很高興,“因為這是中國科學家對世界科學發展的一點貢獻”。

量子反常霍爾效應——量子世界的中國探索2019年開年之際,中科院院士薛其坤領導的清華大學、中科院物理所實驗團隊完成的“量子反常霍爾效應的實驗發現”被授予2018年度國家自然科學獎一等獎。這一獎項意味著在過去幾年裡,薛其坤研究團隊在量子材料的研究中取得一系列國際領先的科研成果,獲得了學界的高度肯定。

從2009年起,薛其坤院士領導的實驗研究團隊與清華大學、中科院物理所、斯坦福大學的研究者合作,對量子反常霍爾效應的實驗實現進行攻關。他們試驗了1000多個樣品,一步步剋服了重重障礙,終於找到一種叫做“磁性拓撲絕緣體薄膜”的特殊材料,並從實驗中觀測到“量子反常霍爾效應”。

從理論到實驗——薛其坤團隊先行一步“我們最早是在國際學術會議中瞭解到量子反常霍爾效應的理論進展的,當時科研直覺告訴我這是一個很重要的研究方向,回來便跟團隊商量著手進行相關的實驗”,薛其坤每每回憶起這些往事,都會跟年輕人們強調瞭解前沿科學的重要性和科研判斷能力的關鍵意義。

近日,清華大學的招生宣傳片《從一到無窮》講述學習改變命運的故事,讓中國科學院院士、清華大學副校長、物理學家薛其坤的勵志經歷又有了新一輪的傳播——從物理不及格的“學渣”,到41歲成為最年輕的院士;從沂蒙山區的放牛娃,到走向世界的頂尖科學家,三十多年裡,薛其坤每天工作15個小時,一路打拼,終於帶領團隊率先發現量子反常霍爾效應。

“量子反常霍爾效應”,這是一個大多數人聽不懂的名詞。然而,它卻讓微觀世界的奇妙現象轉換到宏觀世界中成為可能。在微觀世界里,在不需要強磁場的情況下,電子可在各自的跑道上按規則有序地、一往無前地奔跑,如果這些現象能在宏觀世界得到實現,那麼存在於我們神話傳說中的穿牆而過、永動不停或將成為可能。

他說,科學家當然要求真務實,要愛國敬業,但是在這之外我們應該有更深遠的責任和廣闊的胸懷。正因為如此,中國科學家才要加倍努力,多出原創科學成果,引領世界科學技術發展。

時間回溯到2013年,正是這項研究的一個關鍵的節點。3月15日《科學》雜誌發表文章,宣佈由薛其坤院士領銜的清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的實驗團隊,從實驗上首次發現量子反常霍爾效應,這意味著量子霍爾效應物理領域一個期待已久的重要現象已經被中國科學家率先觀測到。

光榮與夢想——中國科學家的“使命”薛其坤說,從科學研究的角度看,發現量子反常霍爾效應是下一程科學研究的開始,因為科學探索的道路從未停止。他告訴科技日報記者,之前量子反常霍爾效應是在接近零下273攝氏度中實現的,要想真正實現應用,就需要把溫度往上升,所以現在團隊正在從這個方向上進行新的實驗。

這對薛其坤來說,是樂趣也是使命。薛其坤說,自己敬仰那些科技報國的科學家,也認同“科學家的使命在於讓國家更加強大”,但是除此之外,他希望中國科學家以更開放的、更有責任感和使命感的心態為世界科學的發展、為人類文明的發展貢獻力量。

“我希望在孩子們的心裡,科學家是有趣的、體面的、鮮活的,這樣才會有更多年輕人願意從事科學研究的工作;我希望中國科學家是開放的、有使命感的,我們有意願、且有能力為世界科技的發展和人類文明貢獻力量。習近平總書記說,我們堅持融入全球科技創新網絡,樹立人類命運共同體意識,深入參與全球科技創新治理,主動發起全球性創新議題。每一個科研一線的工作者都應該是踐行者。”在清華大學物理系的辦公室里,薛其坤向科技日報記者講述著他作為科學家的“光榮和夢想”。

2008年前後,華裔物理學家、斯坦福大學的張首晟教授等理論物理學家提出了用磁性拓撲絕緣體實現量子反常霍爾效應的方案,從理論上提出這一材料實現量子反常霍爾效應的可能性,但能否在實驗中發現它還是未知數。作為長期從事量子物理研究的科學家,薛其坤認識到,這是一個非常值得在中國進行深入探究的領域。從那時起,他和團隊就展開了對拓撲絕緣體中新奇量子效應的實驗研究。