编者按:大众日报·大众新媒体平台一直在关注薛其坤院士。薛其坤曾把自己比作一艘从沂蒙山出发的“小舟”。这艘小舟乘风破浪,绕地球一圈:到济南读大学,到日本、美国留学,最后驶回清华、南科大……“父母给了小舟生命;小舟出问题时英语,导师帮忙修理;小舟走错了方向时,导师指点;我的学生们让小舟焕发出更加青春的生命……”薛其坤说。家乡成为他前进路上永恒的生命坐标和能量源泉。现在,我们将往期报道整理转载,以飨读者。
薛其坤:从沂蒙山出发的“小舟”
□ 本报记者刘兰慧、王思清; 本报记者张胜虎、韩文佳
爱因斯坦有一句名言:想象力比知识更重要。从《海底两万里》启发潜水艇的改进,到《星际迷航》启发手机之父,现代科技的发明创造无不源于科学想象力。
随着科技的飞速发展,我们不妨大胆想象一下:量子计算机只需200秒就能完成世界经典超级计算机需要1万年才能完成的计算任务;超级计算机或将成为iPad大小的掌上电脑;电动汽车可以连续行驶数月而无需充电,并且在使用过程中不会发热、减速……
这些不仅仅是想象,相关领域的科学家早已做过研究,南方科技大学校长、中科院院士薛其坤就是其中之一。
早在2012年12月,薛其坤团队就在真实材料中观察到了量子反常霍尔效应,这一研究成果为未来信息技术革命提供了全新原理,如果将其与超导态有机结合制成量子计算机,科幻电影里的强人工智能或将成为现实。
10月24日,美国物理学会宣布薛其坤荣获2024年巴克利奖。该奖项被公认为国际凝聚态物理学领域的最高奖项,旨在表彰在该领域做出杰出贡献的科学家。薛其坤与哈佛大学教授阿什文·维什瓦纳斯因“在拓扑能带结构材料的集体电子特性方面开创性的理论和实验研究”共同获此殊荣。据悉,这是该奖项自1953年颁发以来首次颁给华裔物理学家。
这是薛其坤获得的又一个重要奖项,对他来说,科学的探索仍在继续……
耐心等待“决定性时刻”
“作为一名华人科学家,能够入选还是挺意外的。”薛其坤表示,能够获得巴克利奖是莫大的幸福,也标志着中国已经走入世界物理舞台的中心,他会努力带领团队在这个方向上继续攻坚克难。
在物理学领域,霍尔效应是近百年来科学家们不断突破的方向,也是当今凝聚态物理领域最热门的课题。
1879年,美国物理学家霍尔在研究金属导电机理时偶然发现了霍尔效应。
一百多年前,当马克斯·普朗克提出“量子”概念时,就连最大胆的人也难以想象这会给世界带来多大的改变——核能、激光、计算机等都与此有关。
多年来,量子反常霍尔效应一直被视为物理学界的一大挑战。它与已知的量子霍尔效应有着完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应;实现难度更大,需要精确的材料设计、制备和调控。这一奇妙的物理现象很可能带来下一次信息革命。许多世界级的研究小组都在研究量子反常霍尔效应,但一直没有取得任何突破。如此高难度的研究实验,被中国科学家薛其坤成功完成,而这一切始于15年前。
2008年,薛其坤带领团队走进量子反常霍尔效应的“无人区”,研究一个可能一生都无法完成的项目,历经1500多个日日夜夜,上千次物质生成、测量对比实验,结果却是一次次失败。
直到2012年年底的一天深夜,当晚在实验室值班的课题组博士后常翠祖才告诉他:“薛老师,量子反常霍尔效应已经出现,就等详细测量了。”
薛其坤站在那里,思索了许久,终于收到了短信,薛其坤赶紧返回实验室,跟随团队进行了两个月的紧张测试和持续研究,终于测试出了完美的实验数据。
该成果一经发表在美国《科学》杂志上,立即引起全世界的震惊。
诺贝尔物理学奖获得者杨振宁评价说:“量子反常霍尔效应是中国实验室取得的第一个诺贝尔奖级别的物理学成果,这不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事。”
美国《科学》杂志一位匿名评论员评价说:“这篇文章总结了多年来对量子反常霍尔效应的探索,是一项里程碑式的工作。祝贺文章作者在拓扑绝缘体研究中取得重大突破。”
每一次成功的背后,都是999次失败与重建。薛其坤团队用于实验的样品口语英语,是用原子一层层铺开的,5纳米的厚度,相当于头发丝的十万分之一,每一块都制备得十分困难。
四年时间,他们制备了一千多个样本,经历了无数次失败。每次失败后,薛其坤都带领团队改进样本、创新方法;再失败,再改进,再创新。从这些失败中,薛其坤学到了很多,比如坚韧、执着……这些品质帮助薛其坤日后成为一名“硬汉”学者。
从薄膜生长到磁性掺杂、栅极电压调控、低温输运测量……薛其坤带领团队克服重重困难,一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序、能带拓扑的精准调控……
量子反常霍尔效应的发现是中国科学家通过实验独立观测到的重要物理现象,也是世界基础研究领域的重大发现。
因为这一重大科学发现,薛其坤在经历了无数磨难之后终于迎来了人生的高光时刻。
2016年薛其坤获首届未来科学奖,2019年获国家自然科学奖一等奖,2020年获弗里茨·伦敦奖,2023年获巴克利奖……
薛其坤说,经历了人生的磨难后,他觉得其他的磨难都不算什么,好在青少年时期的生活为他养成了吃苦耐劳、坚韧不拔的品质奠定了基础。
出发自沂蒙山的“小船”
薛其坤曾把自己比作一艘从沂蒙山出发的“小船”,这艘小船乘风破浪,绕地球一圈:到济南读大学,到日本、美国留学,最后驶回清华、南科大……“父母给了小船生命;小船出问题时,导师帮忙修好;小船走错了方向,导师指点迷津;我的学生们让小船焕发出更加青春的生命……”薛其坤说。家乡成为他前进路上生命永恒的坐标和能量源。
薛其坤1962年出生于临沂市蒙阴县高都镇西峪村。当时的沂蒙山区是全国有名的贫困地区,他的希望就是走出山区。从课本上,薛其坤了解了牛顿、爱因斯坦,意识到成为一名科学家能给社会带来很大的利益,于是他隐约有了当一名科学家的想法。
凭借着自己的努力,他考上了山东大学光学系。毕业后,薛其坤进入曲阜师范大学物理系工作,并利用课余时间准备考研。1987年,他终于考入中国科学院物理研究所,攻读凝聚态物理专业。回顾自己的求学经历,他说:“如果读研能让我更接近成为一名科学家的崇高理想,那么为了这个崇高的目标,付出任何努力都是值得的。”
薛其坤几十年来一直保持着“7-11”作息时间。1992年6月,薛其坤来到日本东北大学金属材料研究所学习,实验室指导老师樱井敏夫要求他工作日早上7点到实验室,晚上11点离开实验室。“如果我犯了错误,指导老师的脸色会很难看,我的自信心也会受到很大影响。”语言障碍、时间安排严格,让薛其坤承受着巨大的压力。
一年半后,薛其坤凭借着扎实的基础和非凡的努力,取得了重要的科学突破。这是“7-11实验室”30年来最大的成果。薛其坤终于感觉到,这个山东农村放牛娃心中那个模糊的梦想,开始一点点变成现实。
1996年,薛其坤受邀在物理学界最大的会议——美国物理学会年会上做报告。糟糕的英语让他感到应接不暇。为了保证一切顺利,他把要讲的每一个英语口语、句子都记下来,反复练习了80多遍。听到掌声和赞扬声,薛其坤感觉“就像夏天口渴时喝了冰水,很舒服”。那是一个转折点。经过刻苦学习,薛其坤建立了扎实的理论基础和知识体系,并通过接触和了解物理学界的前沿信息,开阔了视野。
2005年,薛其坤进入清华大学物理系工作,并于同年11月当选为中国科学院院士,当时他刚过40岁,是当选院士中最年轻的一位。
薛其坤参与拍摄2019年清华大学招生宣传片《从一到无限》,他说:“你们是家里的第一个,我们每个人都是自己的第一个,这无数个‘一’孕育着中国未来无限的希望。”
在2023年6月南方科技大学毕业典礼上,薛其坤用自身的成长经历勉励同学们:凭借不可动摇的自信和不懈的努力,你们一定能够战胜重重困难,超越时代的局限口语英语,抵达理想的彼岸。
这艘从沂蒙山出发的“小船”,如今正驶回故乡。在蒙阴一中,薛其坤和高五班的同学们一起捐资修建了高五广场,并题写了蒙阴一中的德育理念:善良、和谐、诚信、博雅。
亲眼见证家乡的变化学英语,薛其坤不仅为家乡的发展感到自豪,还对家乡青年学子走出大山、走进高校有着深远的影响。他身体力行在南方科技大学传播沂蒙精神和红色文化,服务沂蒙山区高质量发展。
探索量子领域的“终极追求”
“有疑问就用量子力学”,曾一度成为网络流行语。量子力学到底有什么魔力呢?
近年来,我国相继成功研制出“九章二号”和“祖冲之二号”量子计算原型机,量子科技突飞猛进,许多国家都在这条事关人类未来的科技赛道上争先恐后。
量子反常霍尔效应是描述微观世界电子运动的一种新科学效应,也是薛其坤最为人熟知的科学发现。
薛其坤介绍,量子科技革命将深刻改变人类生活,如果迎来第二代量子技术的广泛应用,量子计算机、量子互联网得以实现,云端数据处理速度和数据掌控能力将大幅提升,信息的安全性将大大增强,许多现有的检测、传感技术也将得到极大改善,整个信息时代将迎来跨越式发展。
如今,薛其坤依然以追求完美的态度,不断攻克新的世界难题。
薛其坤在樱井敏夫实验室的时候,导师要求他花三天时间把几万颗螺丝钉分门别类、摆放整齐。薛其坤当时很纳闷。但后来学英语,他逐渐意识到,这种追求完美的态度正是科学最需要的,他在带团队的时候也这么做。
“我在培养学生的时候强调两点:第一,在科研中要学会合作,学会与人相处的方式;第二,要把实验技术掌握到极致,这是基本功。”
在实验技术和科研训练上,薛其坤对学生的要求近乎苛刻,要求学生写报告不能出现任何标点错误,闭着眼睛也能正确操作仪器。如今,他又带领更多人迈出了追求完美的“第一步”。
薛其坤曾寄语年轻人:尽管这个时代经济飞速发展、互联网信息迅速膨胀,但探索自然的奥秘是一个非常令人兴奋的领域。年轻的科研人员应该有追求科学、探索自然奥秘的理念和精神,朝着这个方向努力,学好知识,将来投入基础研究,为人类的科学进步贡献力量。
基础科学研究并非一蹴而就,其最大的特点就是不确定性,科学家的精神和智慧就体现在这种不确定性中。
“就像旅行一样,会感到疲惫,但这种疲惫往往与快乐、与欣赏美景相伴。做技术研究的科学家大多处于这种状态。”薛其坤说,“很多人因为这种坚持,给人类带来了研究突破,而这种坚持可能不是1000万人10年就能做到的。”
薛其坤曾与特斯拉CEO埃隆·马斯克讨论“下一次颠覆性创新”的话题。
马斯克专注于新能源汽车、人工智能等商业项目,薛其坤则专注于基础理论研究。“马斯克的技术可能二三十年后就消失了,基础理论的研究成果可以作为一种科学知识流传100年、200年甚至1000年。”
前段时间非常火的ChatGPT等人工智能技术,也是基于长期基础研究、多学科跨行业合作取得的新重大进展。
薛其坤认为口语英语 薛其坤:从沂蒙山出发的“小舟”,过去三次工业革命均源于理论科学的实际应用,下一次革命必将从基础物理学的发展延伸而来。
当被问及如何看待科幻小说《三体》中外星文明的科技水平时,薛其坤表示,如果外星人有如此高的技术水平,科学家就应该向他们学习,追求完美,研制出强大的材料。
追求完美,似乎已经成为薛其坤的人生信条。人的生命转瞬即逝,物质也会随着时间的流逝而湮没,唯有不朽的知识在历史的长河中熠熠生辉。
院士的家乡和祖国
当下,我们的星球正在飞速前进口语英语,在太空、深海、微观世界、潜意识、四维空间等各个坐标点探索新知。这些如梦似幻的实验,都源自于一种探索宇宙起源的冲动:我们从哪里来,又要到哪里去?薛其坤就是这个时代对这些问题充满好奇的人之一。
在漫长而孤独的科研过程中,家人成为薛其坤坚持下去的精神支柱。电话里,儿子用稚嫩的声音读给他听:“我是中国人,我爱我的祖国……”这句话给了他勇气和力量。
科学探索就是无数次逼近真理的过程,到达一个高峰,只是下一段路程的开始。
谈及下一步计划,薛其坤介绍,首要目标是继续将量子反常霍尔效应和拓扑绝缘体的研究推向新的高度。
比如,量子反常霍尔效应的观测已经从10年前实现的极低温走向了更高的温度,他希望在液氮温度范围内实现量子反常霍尔效应,并且还有一个更宏伟的目标,就是能在室温下观测到这种量子现象。
此外,薛其坤带领团队还在继续研究高温超导的机理。他知道,谁能率先找到在常温常压下实现超导的材料和方法,谁就能带领人类走向新的文明时代。他也结合清华大学和南方科技大学的团队力量,力争在这个方向做出重要成果。
在追寻真理的过程中,薛其坤也完成了自身人格的塑造和生命意义的发现。
薛其坤对运动非常感兴趣,在山东大学读书时,每天下午做完实验后,薛其坤都会踢一个小时足球,然后冲个冷水澡。
2023年3月,在全国人大“代表通道”上,薛其坤说,国家的富强,为科学家攀登科学高峰、冲击世界科学难题提供了有力支撑和良好条件,科学家的事业与国家的富强紧密相连……
这是薛其坤获得巴克利奖后感受最深的,这些成果的取得,离不开国家对基础研究的支持,让团队搭建起了全球最先进的平台。
他坦言自己“一天中任何时候都可以工作”,这样的勤奋,不仅源于童年艰苦生活磨练出的坚强意志,更源于实现梦想的内在动力。“我很幸运赶上了国家的改革开放,为我这样的年轻人创造了实现梦想的机会。”
20世纪90年代,薛其坤出国深造,在日本、美国学习、工作了八年,这段知识的积累,培养了他为科学、为国家、为民族的奉献精神。
他还多次提到树立爱国主义、报效祖国的重要性,曾为乡亲们写诗:“弘扬沂蒙精神,读好书为祖国兴旺”。
1999年,他满怀热情回国工作。
“全球科学家之间经常会发生科学竞争,如果你是第一个解决某个问题的人,往往会感到很有成就感、人生有收获。”近年来,薛其坤希望借助大科学设施研发前沿科技,通过大师和“楼”培养高水平人才。
进入全球科技竞争新时代,代表先进科研装备的“楼宇”重要性日益凸显,重大科研基础设施被科学家视为“国家最重要的装备”。
薛其坤带领团队建成了国际上首个“低维量子物质非平衡物理性质原位综合实验研究平台”,这个平台“就像一艘航空母舰,把研究低维量子物质所需要的各种技术和设备都集成在一个平台上,这样我们就可以突破这个领域的盲人摸象问题,站在更高、更全面的立场上去探索”。
他说,要想成为一名真正快乐的量子科学家口语英语,就必须在世界舞台上展现国家的强大。国家强大了,我们才能有更好的条件,才会有更多的年轻人投身其中,我们的技术才会得到更好的发展。这个科研领域就像是世界旅游打卡点,投身其中的人会感到非常荣幸和快乐。