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追求极致!他带领团队勇闯“无人区”揭秘量子反常霍尔效应

2024/06/25

2023年度国家最高科学技术奖得主之一薛其坤,是凝聚态物理领域享有国际声誉的实验物理学家。他潜心基础研究前沿科学问题,为国家争得了极大的荣誉。让我们一起了解一下这位追求极致的科学家。

在清华大学低维量子物理国家重点实验室,薛其坤院士正在和研究团队一起分析最新的实验结果。从2012年首次在实验上观测到量子反常霍尔效应到现在,12年来,团队一直在持续推进更深层次的原理和应用的基础研究,并不断取得更多新的进展。


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量子反常霍尔效应是凝聚态物理中的一个重要量子效应。1879年,埃德温?霍尔发现了霍尔效应。1980年,冯?克利青发现了量子霍尔效应,即在强磁场的作用下,电流只在二维电子系统的边缘流动,并且没有电阻。科学家们进一步探索,希望发现一种不依赖于强磁场也能产生量子霍尔效应的材料,这个材料可以给看不见摸不着的电子建立一个“高速公路”。在这个“高速公路”上,电子就像高速公路的汽车一样,是分道行驶,十分有序,不会发生碰撞,也就是说没有电阻,从而有可能解决电子器件发热的根本问题。这个不依赖强磁场也能产生量子霍尔效应的现象就是量子反常霍尔效应。


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2023年度国家最高科学技术奖得主 中国科学院院士 薛其坤:量子反常霍尔效应,就是在拓扑绝缘体这个材料中,存在着一个关于电子运动的全新规律。对我们科学家来讲,也是一个非常奇妙的物理现象,所以我们非常希望把它的谜解开,看看它是不是存在。

一直以来,量子反常霍尔效应仅停留在理论层面,并没有被实验证实。能否找到显示量子霍尔反常效应的材料,自1988年开始,就不断有理论物理学家针对这一问题提出各种方案,但均未能在实验上取得实质性进展。2009年,薛其坤带领团队向这个“无人区”探索。


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2023年度国家最高科学技术奖得主 中国科学院院士 薛其坤:我们这个实验可以说,从微观上控制材料的生长,从而控制一个材料的宏观性质。就像一群人,你通过控制每个人,控制整个群体的性质。我们通过控制微观上的薄膜生长过程,从而控制材料的宏观性质。就是差之毫厘,谬以千里。


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作为一个科学家,薛其坤喜欢向未知发起挑战,在实验方法上独辟蹊径。他在多年、多种实验技术发展积累的基础上,创新性地将分子束外延、扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱等多种互补的精密实验手段互联于一个超高真空系统,解决了低维量子材料对环境污染极其敏感的关键问题,后来被证明是在原子尺度精密制备和调控量子材料的最佳方法之一。


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2023年度国家最高科学技术奖得主 中国科学院院士 薛其坤:在我们整个实验过程中,在国家的大力支持下,我们搭建了一个世界上非常复杂的、一流的这种联合系统。它把这个材料在原子尺度上的控制或在原子尺度上材料的表征、材料性质的测量结合在一起,这是我们针对这个实验打造的一个世界上最有特色的科学仪器,在这个实验中发挥了巨大的作用。


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在此基础上,薛其坤团队先后制备测量了1000多个样品,一步一步地提高样品质量。经过持续不断的反复推理、实验,2012年底,薛其坤团队在世界上首次在实验上观测到了量子反常霍尔效应。关于此项研究成果的论文很快被接受发表于《科学》杂志。在约一年后,该结果被国际上多个实验室在相同体系中重复,从而确认了该发现。


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2023年度国家最高科学技术奖得主 中国科学院院士 薛其坤:从我们这个实验过程可以看到,我们几乎要穷尽所有的可能性,体现了在科学上追求极致这样一种态度。


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薛其坤研究团队成员 清华大学物理系教授 何珂:这个题目是个非常难的题目,即使在国际的物理学里都是非常难的题目。薛老师有勇气选择这个题目,才能够支持我们去相信,去做它,朝着这个题目而奋斗。


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勇闯“无人区”既需要有担当的魄力,又需要持之以恒的毅力。在日本留学期间,薛其坤就养成了早7点到晚11点的工作习惯,除了睡觉,就是在做实验。而这种努力的工作作风,也成为他一直以来的遵循。在严谨的科研过程中,薛其坤还发现了异质结界面高温超导,为解决高温超导机理开辟了全新的途径。该发现在国际超导研究界引起了重大反响。现在,薛其坤仍奋战在科研一线,率领团队为解决高温超导机理问题、高温量子反常霍尔效应和拓扑量子物态的应用、拓扑量子计算的实现等重大科学问题继续努力奋斗。


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2023年度国家最高科学技术奖得主 中国科学院院士 薛其坤:我回国以后就是试图用自己学到的知识,搭建了世界上也是最有特色的实验室。通过这个实验室培养最优秀的人才,在科学上取得世界一流的突破,为我们国家科技强国这方面作出自己的努力。


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团队成员 清华大学物理系副教授 冯硝:薛老师无论他多晚开完会回到学校,只要他回到办公室,看到实验室还有人的话,他都会去实验室去看一下,了解一下大家最近实验进展是否顺利。如果不顺利的话,他会给大家鼓励,给一些细节上的方向性的指导,所以他跟学生之间的交流可以说是很多的。在他同时有这么多社会工作,这么繁忙的情况下,还会分出相当大的一部分的时间和精力,在学生的培养和教育上。


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现在,薛其坤还担任了另一个对他来说重要又充满挑战的职务——南方科技大学校长。一直以来,他都将培养科研人才作为自己科研过程中的一个重要任务,能够荣获国家最高科学技术奖这一崇高荣誉,他感受到作为一名中国科学家,十分幸福。


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2023年度国家最高科学技术奖得主 中国科学院院士 薛其坤:给我一个最大的感受,做一个中国科学家是最幸福的。这个奖体现了党、国家、人民对科学家的高度重视关心,这会激发我更加努力工作,为我们国家的发展、人民的幸福作出更大的贡献。