事實(shí)上，他即將開(kāi)啟一個(gè)全新的時(shí)代。4月9日，由這位教授領(lǐng)導(dǎo)，來(lái)自清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理所與斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們組成的團(tuán)隊(duì)宣布，他們從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。他們的論文，3月15日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上。
對(duì)普通人而言，“量子反?；魻栃?yīng)”并不僅是一個(gè)讓人云里霧里的科學(xué)名詞，它還意味著某種科幻小說(shuō)般的未來(lái)生活：若這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)能投入應(yīng)用，超級(jí)計(jì)算機(jī)將有可能成為iPad大小的掌上筆記本，智能手機(jī)內(nèi)存也許會(huì)超過(guò)目前最先進(jìn)產(chǎn)品的上千倍，除了超長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，還將擁有當(dāng)代人無(wú)法想象的快速。
這一發(fā)現(xiàn)甚至令年過(guò)九旬的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧都激動(dòng)了：“這是從中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里頭，第一次做出并發(fā)表諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文?！?/FONT>
“那一時(shí)刻，我們看到我們深刻的信念，在大自然里果然是被實(shí)現(xiàn)了”
普通人幾乎沒(méi)人知道什么叫“量子反常霍爾效應(yīng)”，但1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的“霍爾效應(yīng)”，實(shí)際上已經(jīng)被應(yīng)用在普通人生活的方方面面：測(cè)量磁場(chǎng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)事故，也可以生產(chǎn)新的器件，比如汽車(chē)的里程表、速度表，以及點(diǎn)火系統(tǒng)。
這一次，薛其坤團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)家眼中，更是一個(gè)極為美妙的現(xiàn)象。
在擺滿(mǎn)儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)物理系教授王亞愚試圖通過(guò)一種通俗易懂的方式向外界解釋他們的研究。他手持的筆記本電腦屏幕上播放著動(dòng)畫(huà)：一個(gè)透明的長(zhǎng)方體物件內(nèi)，許多玫紅色小顆粒正在橫沖直撞。
“如果這是一個(gè)一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料，那里面的電子運(yùn)動(dòng)是非常無(wú)序的。它們雜亂無(wú)章，互相碰撞。這就引起電子器件的速度降低，而且會(huì)使能耗增大。”
雖然肉眼看不到這些到處亂跑的電子，但誰(shuí)都會(huì)在生活中感受到它們的存在，譬如，盡管有風(fēng)扇“呼啦呼啦”地吹，工作多時(shí)的筆記本電腦卻還是熱得燙手，反應(yīng)緩慢得像老牛爬坡。
但這些粒子卻是可以被科學(xué)家們“管”起來(lái)，順著一定規(guī)律在材料內(nèi)老老實(shí)實(shí)排著隊(duì)跑步的。
“如果我們?cè)诓牧仙霞右粋€(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，電子運(yùn)動(dòng)就變得有規(guī)律了——它們?cè)诓牧系膬啥?，像高速公路上的汽?chē)一樣，這么反向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候，電子運(yùn)動(dòng)速度就變快了?！蓖鮼営藿淌诮忉屨f(shuō)。
動(dòng)畫(huà)中，玫紅色小顆粒乖乖地排在材料兩邊，一邊的隊(duì)伍向前跑，對(duì)面的隊(duì)伍則向后跑，就像公路上遵守交通規(guī)則的往來(lái)車(chē)輛，在不同的車(chē)道里暢通無(wú)阻。
在上世紀(jì)80年代，這種量子霍爾效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青在研究極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)。這一成果讓他獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
只是，要讓肉眼都看不到的電子像動(dòng)畫(huà)中那樣規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)：至少得是一個(gè)一人高，冰箱一般大小的設(shè)備。運(yùn)作起來(lái)非常麻煩，而且極其昂貴。
顯然，這不是一件能走出實(shí)驗(yàn)室的“降溫提速設(shè)備”。
這也就是為什么薛其坤的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的量子反?；魻栃?yīng)是這么重要、又是這么優(yōu)美了：在零磁場(chǎng)中，材料的反?；魻栯娮柽_(dá)到量子電阻的數(shù)值，并形成一個(gè)平臺(tái)，也就是說(shuō)，在微觀世界中，那些原本亂沖亂撞的電子們正循著“高速公路”暢通有序地運(yùn)動(dòng)著。這一次，沒(méi)有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。
這一場(chǎng)面證實(shí)了科學(xué)界等待多年的預(yù)言。
“這是量子霍爾家族的最后一位成員，”一位美國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上撰文稱(chēng)，“不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，使人們終于能夠完整地研究量子霍爾效應(yīng)的三重奏了”。
在得知這一結(jié)果的時(shí)刻，薛其坤的合作者，曾經(jīng)預(yù)言過(guò)自旋量子霍爾效應(yīng)的斯坦福大學(xué)教授張首晟想起了老師楊振寧曾對(duì)他們說(shuō)過(guò)的話(huà)：任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)，都早已存在于自然界中。
“在發(fā)現(xiàn)的那一時(shí)刻，我們看到我們深刻的信念，在大自然里果然是被實(shí)現(xiàn)了，這種感受是科學(xué)家最最大的一種回報(bào)?！?/FONT>
那是2012年的10月12日，距離霍爾最初發(fā)現(xiàn)這種電磁效應(yīng)已130年有余，距離薛其坤的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，也已整整4年。
“吃飯，睡覺(jué)，做研究”
在同行中，已經(jīng)有300多篇SCI論文發(fā)表的材料物理學(xué)家薛其坤以勤奮刻苦著稱(chēng)。他有一個(gè)“比‘院士’更響亮的名號(hào)”，叫“7-11”：早上7點(diǎn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作，一直干到晚上11點(diǎn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的4年中，他的團(tuán)隊(duì)先后嘗試了1000多個(gè)拓?fù)浣^緣體樣品。
磁性拓?fù)浣^緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理想系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)量子反常效應(yīng)，對(duì)材料的要求非常高：這種材料必須具有拓?fù)涮匦?，具有長(zhǎng)程鐵磁序，體內(nèi)則必須是絕緣態(tài)。按科學(xué)家的解釋?zhuān)秃帽纫笠粋€(gè)人具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧。
在薛其坤的指導(dǎo)下，研究者們用于實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣^緣體樣品是以“原子”為單位的：在100萬(wàn)個(gè)原子中，只能有一個(gè)雜質(zhì)原子。這1000多個(gè)不到小拇指指甲蓋大小的特殊實(shí)驗(yàn)材料，都需要在超真空環(huán)境中慢慢長(zhǎng)出來(lái)。它們的厚度得是5納米，高1納米或是低1納米都不行。
分散在世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員，每天都通過(guò)電話(huà)和郵件交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隔兩三周就充分討論實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)。不過(guò)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它們得不到任何有意義的結(jié)果。負(fù)責(zé)測(cè)量反?；魻栃?yīng)的王亞愚教授形容，那時(shí)他們都“不大好意思見(jiàn)薛老師”。
但團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者薛其坤耐得住性子。他是過(guò)過(guò)苦日子的人。小時(shí)候，母親得到了一條珍貴的牛肉，舍不得吃，一定要等著出外上學(xué)的孩子回家，才把已經(jīng)風(fēng)干的牛肉慢慢在水里浸開(kāi)，包了餃子吃。
很多年以后，這個(gè)從沂蒙山區(qū)走出來(lái)的農(nóng)村孩子還記得，年少時(shí)第一次進(jìn)縣城，如何被那里的繁華震驚。他對(duì)家鄉(xiāng)記者描述說(shuō)，那心情就像臨沂人的一句笑談，“蒙陰就像是北京一樣，是個(gè)大地方”。
當(dāng)時(shí)這少年心中的“最高理想”，就是在那個(gè)蒙陰縣城中“找個(gè)工作，娶個(gè)媳婦”。這理想人生至少實(shí)現(xiàn)了一半，薛其坤后來(lái)確實(shí)娶到了一個(gè)蒙陰媳婦。
另一半人生也許有些超出他最初預(yù)想的軌道：在日本和美國(guó)留學(xué)，35歲晉級(jí)教授，41歲成為中科院最年輕的院士之一。“我根本沒(méi)想到自己會(huì)是個(gè)科學(xué)家……只想有事干，踏踏實(shí)實(shí)做點(diǎn)事?！?/FONT>
在證實(shí)“量子反?；魻栃?yīng)”的成果發(fā)布后，有網(wǎng)友在微博上對(duì)著“薛其坤”這名字大發(fā)感慨：當(dāng)年這個(gè)人去他們學(xué)校講座，沒(méi)人聽(tīng)，他還被拉去充數(shù)——近幾年，薛其坤曾在復(fù)旦大學(xué)、山東大學(xué)、湖南大學(xué)等多所高校，作過(guò)以“個(gè)人成長(zhǎng)的體會(huì)”為內(nèi)容的報(bào)告。
他人看來(lái)幾乎是一帆風(fēng)順的履歷，在當(dāng)事人心中則另有滋味：大學(xué)畢業(yè)后一次次想考研，第一次考哈爾濱工業(yè)大學(xué)，高等數(shù)學(xué)只考了39分，落榜;兩年后報(bào)中科院物理所，物理考了39分，又落榜。
第三年，他終于考上了中科院的物理所。但之后的幾年里，這個(gè)大齡研究生“整天處在維修儀器的苦惱狀態(tài)中”。當(dāng)年，物理所的設(shè)備不靈光，常常做不了實(shí)驗(yàn)。就算一次次做實(shí)驗(yàn)，但得到的數(shù)據(jù)也總是對(duì)不上號(hào)。
直到全無(wú)日語(yǔ)基礎(chǔ)的他被送往日本東北大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，生活才逐漸順利了起來(lái)。正是在日本導(dǎo)師櫻井利夫的要求下，他養(yǎng)成了“7-11”的工作習(xí)慣。隨后他被櫻井先生推薦至美國(guó)北卡羅來(lái)那州立大學(xué)D.E.Aspnes門(mén)下做博士后，這位老先生也極有個(gè)性，每次實(shí)驗(yàn)室外出聚餐，年過(guò)六旬的他總會(huì)騎著摩托車(chē)，帶上一個(gè)學(xué)生，順著高速公路一路風(fēng)馳電掣而去。
如今，當(dāng)薛其坤成為整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的中心人物后，他也極其擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)每一個(gè)人的優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)團(tuán)隊(duì)鼓勁兒。
留學(xué)經(jīng)歷還磨礪了薛其坤“流利的山東口音英語(yǔ)”：“俺沒(méi)啥子能耐，別人上臺(tái)不敢講，俺膽子大，敢講!”
與薛其坤有接觸的人眾口一詞地描述說(shuō)，這位科學(xué)家風(fēng)趣幽默，精力充沛。他喜歡踢足球，愛(ài)看武俠小說(shuō)，早年生活中令人愉快的消遣是在樓道里打麻將。而他的研究生們則提到，這位導(dǎo)師每次出差后回北京的第一件事，就是去實(shí)驗(yàn)室看看有沒(méi)有什么新發(fā)現(xiàn)，哪怕已經(jīng)是晚上12點(diǎn)。
在就任清華教授之后的一次采訪中，他對(duì)記者介紹說(shuō)，自己的團(tuán)隊(duì)來(lái)自五湖四海，有著共同的志向。誰(shuí)知對(duì)方問(wèn)他：您的團(tuán)隊(duì)成員有什么共同愛(ài)好嗎?
這位團(tuán)隊(duì)老大思索了片刻之后說(shuō)：吃飯、睡覺(jué)、做研究。
上周，在“證實(shí)量子反?；魻栃?yīng)”的發(fā)布會(huì)上，楊振寧為這群中國(guó)學(xué)者的新發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充說(shuō)，有一點(diǎn)值得人們?nèi)ニ伎迹毫孔臃闯；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)，全世界很多實(shí)驗(yàn)室都在鉆研，為什么唯有清華大學(xué)與物理所的合作成功了?“我想這與中國(guó)整個(gè)科研體系的體制，跟中國(guó)傳統(tǒng)的人文關(guān)系都有非常密切的直接關(guān)系。”
“這可能是我們兩個(gè)人人生當(dāng)中最最喜悅的那一天”
2012年10月12日晚上10點(diǎn)35分，薛其坤接到團(tuán)隊(duì)成員、博士生常翠祖的一條短信：“薛老師，量子化反常霍爾效應(yīng)出來(lái)了，等待詳細(xì)測(cè)量。”
實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)是一條漂亮的曲線，與理想情況下量子反?；魻栃?yīng)的行為完美地吻合。
團(tuán)隊(duì)成員觀測(cè)到的現(xiàn)象，是在接近絕對(duì)零度的極低溫度下對(duì)拓?fù)浣^緣體薄膜進(jìn)行精密測(cè)量后獲得的。也就是說(shuō)，目前要談?wù)撨@種現(xiàn)象在生活中的實(shí)際應(yīng)用，還為時(shí)過(guò)早。畢竟，室溫要比實(shí)驗(yàn)溫度高很多，《科學(xué)》雜志上一篇文章也指出，實(shí)驗(yàn)材料在其他方面還有不盡人意的地方。
但對(duì)為之付出多年努力的科學(xué)家們而言，這一結(jié)果已經(jīng)足夠令人驚喜。“這可能是我們兩個(gè)人人生當(dāng)中最最喜悅的那一天?！睆埵钻珊髞?lái)在發(fā)布會(huì)上說(shuō)。在座的楊振寧聽(tīng)著這個(gè)學(xué)生的報(bào)告，也想起了1956年12月的某一天，吳健雄在電話(huà)中告訴他，她發(fā)現(xiàn)了宇稱(chēng)是不守恒的。
“我認(rèn)為是從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里頭一次，做出來(lái)了，并發(fā)表出來(lái)了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文……這也是整個(gè)國(guó)家發(fā)展的大喜事?！彼槐楸榈貙?duì)著不同的媒體說(shuō)。
這篇論文發(fā)表后，清華大學(xué)的一名學(xué)生想起來(lái)，在從前的一次“文化素質(zhì)教育講座”上，曾有學(xué)生對(duì)薛院士提問(wèn)：“您是否有志為中國(guó)贏得諾貝爾獎(jiǎng)?”
“沒(méi)有想過(guò)。”靜靜地想了一會(huì)后，他給出了這樣的回答。
“我認(rèn)為一個(gè)不想得諾獎(jiǎng)的科學(xué)家不是好科學(xué)家?！睂W(xué)生不依不饒。
但薛其坤就是沒(méi)有這樣的想法：“我在做科研時(shí)，沒(méi)想過(guò)這個(gè)問(wèn)題”。
