2023年度國家最高科技獎得主薛其坤：在物理學前沿長跑

人物小傳：薛其坤，實驗物理學家。1963年12月生，山東蒙陰人。1984年在山東大學獲得學士學位，1994年在中國科學院物理研究所獲得博士學位。先後在中國科學院物理研究所、清華大學、南方科技大學工作，2005年當選為中國科學院院士，是改革開放後我國成長起來的傑出科學家之一。

早上7點到實驗室、晚上11點離開，薛其坤因其規律的工作安排，被大家稱為「7—11先生」。這樣的作息，他雷打不動堅持了30多年。

薛其坤的研究領域是凝聚態物理，是研究凝聚態物質的物理性質與微觀結構以及它們之間的關係的學科，是當今物理學最大也是最重要的分支學科之一。在這一領域，他率領團隊不斷突破，創造性地發展一系列國際通用的強大實驗技術，取得量子反常霍爾效應、界面高溫超導等原創性科學發現。每一項成果都很重大、每一個都是難啃的「硬骨頭」。

不斷攀登高峰，動力何來？「對科學研究的熱情與執著，對推進國家科技進步的職責和信念，促使我努力向前。」他回答。

在認知範圍內，挑戰最難的、有價值的研究

「不跟風，專注於做‘從0到1’的研究」，薛其坤的合作者、學生，都對他的科研品位印象深刻。

量子反常霍爾效應是一個全新的量子效應，由於其存在不需要外加磁場，在推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展上，更具應用前景，成為全球凝聚態物理學家關注的焦點。

從2009年起，薛其坤領導的聯合團隊，對量子反常霍爾效應的實驗發起衝擊。雖然，團隊前期完成了很好的基礎工作，但量子反常霍爾效應出現的實驗條件非常苛刻，實現極為困難。能否找到合適的材料，在這種材料中又能不能觀測到量子反常霍爾效應，一切都是未知數。

認準這座科研高峰，薛其坤義無反顧地去攀登。

先後生長測量了1000多個樣品、一步步提高樣品質量，2012年底，薛其坤團隊終於成功在實驗中觀測到量子反常霍爾效應。這是反常霍爾效應提出131年後，首次觀測到反常霍爾效應的量子化。2013年，該成果很快在《科學》雜誌上發表，被審稿人稱為「凝聚態物理界一項里程碑式的工作」。

在認知範圍內，挑戰最難的、有價值的研究，貫穿薛其坤做科研的始終。

1999年，薛其坤回國，在中國科學院物理研究所建立研究團隊和實驗室。他創造性地將多種精密實驗手段互聯於一個超高真空系統，解決了低維量子材料對環境汙染極其敏感的關鍵問題。

利用該獨特技術，他領導團隊在半導體表面的量子薄膜、納米結構的控制生長和量子尺寸效應研究上，很快取得一系列國際領先的研究成果。該技術也成為國際通用的強大實驗技術，被近百家研究組採用。

2005年到清華大學工作，帶著「做點更大的事」的想法，薛其坤瞄準長期困擾物理學界的難題——高溫超導。經過多年摸索，2012年，他帶領團隊發現了單層鐵硒與鈦酸鍶襯底結合而產生出的界面高溫超導。該發現挑戰主流共識，增進了科學界對超導材料的認識，國際超導界開展大量追蹤研究。這是高溫超導領域，我國科學家開闢的全新研究方向。

在薛其坤看來，挑戰難題關乎科學精神培養。他曾以做菜打吡方教導學生：學會了紅燒肉是進步，但之後再做紅燒魚、紅燒海參等紅燒類菜餚，就沒多大意思，做研究、寫文章同樣如此。他認為，做重要問題都要大功夫，幾個月就能做出來的，通常不是有份量的工作，也難以錘煉學生的精神品質。

薛其坤的博士生、清華大學副教授馮硝對此深有感觸。拜入門下，薛其坤就告訴她：「來我這讀博士，不是為了發文章，而要在專業領域做重大意義的工作。」多年之後，她感激：薛老師是對的。

薛其坤沒有躺在功勞簿上。2017年，團隊將量子反常霍爾效應觀測溫度提高了一個數量級，並首次實現量子反常霍爾效應多層結構；2018年，團隊與合作者首次發現一種內稟磁性拓撲絕緣體，開啟了國際上又一個熱點研究方向……

今天，沿著量子反常霍爾效應以及相關量子態的應用研究、高溫超導機理研究兩個方向，薛其坤團隊正開展攻關。「這是國際凝聚態物理領域最關注的研究方向，我們要努力站在世界前沿。」他說。

日複一日與樣品、數據打交道，是快樂和享受

理論物理學家的預言對不對，往往需要實驗物理學家長時間去驗證。優秀的物理直覺、堅韌的投入，兩者缺一不可。

做量子反常霍爾效應實驗，薛其坤團隊用來實驗的樣品，是用分子束外延技術一層一層長的，僅有5納米的厚度，相當於頭髮絲的十萬分之一，每製備一個都非常不易。這樣的樣品，4年中，他們做了1000多個。

實驗失敗是家常便飯。每次失敗後，薛其坤就會再次帶領團隊優化樣品、改進方法。再失敗、再優化、再改進，一路上「升級打怪」，直至實驗成功。

2012年初，從理論上看，團隊似乎解決了所有能想到的問題，然而，量子反常霍爾效應的實驗結果離最終的成功還非常遙遠。團隊成員、清華大學物理系教授何珂回憶，那段時間大家壓力很大，付出了這麼多努力，「擔心研究就此停滯不前」。

關鍵時刻，薛其坤給團隊打氣，講述科研中追求極致、經受磨練的重要性。他常用自己「做針尖」的故事鼓勵團隊。攻讀碩士期間，薛其坤用到的實驗儀器是場離子顯微鏡，樣品是金屬針尖。他在導師的嚴格監督下，每天至少要試做3個針尖，兩年做了1000多個針尖。其間雖沒有發表任何文章，但熟練掌握的實驗技術，對後續工作幫助很大。

薛其坤認為，只要踏踏實實、安下心來做東西，任何付出最終都會有收穫。薛其坤的執著和激情感染了團隊，一輪輪衝刺，最終實現了突破。

熟悉薛其坤的人都知道他「7—11」的生活，有學生曾經心裡較勁，「想趁著自己年輕，和薛老師比一比，看誰先到實驗室，誰最後一個離開」，但多年來幾乎沒人能贏。與薛其坤一起出差，清華大學物理系教授、主要合作者王亞愚敬佩：「回到北京已經晚上10點多了，奔波了一天，薛老師仍堅持要去實驗室再看看。」

生長於山東蒙陰縣的山村，薛其坤說，自己是沂蒙山裡出來的孩子，不怕挫折，「皮實」。他說，自己打小便想當科學家，一路追夢，也遇到不少挫折。

他多次提及自己考研經歷。大學畢業，第一次考研究生，高等數學39分，惜敗。畢業後，到曲阜師範大學教書，再次考研，再次敗北。直到1987年，才終於考上研究生，進入中國科學院大學物理研究所凝聚態物理專業學習。

在實驗室，日複一日與樣品、數據打交道，薛其坤不以為苦，而以此為快樂和享受。他說，每當實現重大突破的時候，那種滿足感是其他事情很難替代的。受他感染，越來越多的團隊成員品味出做科研的魅力，力爭把實驗做完美，在物理學前沿長跑。

今天，作為實驗物理學家，在凝聚態物理領域，「皮實」的薛其坤已經享有國際聲譽。2013年起擔任清華大學副校長，2020年起任南方科技大學黨委副書記、校長，身兼科學研究、人才培養、行政管理等多項職責，無論角色怎麼變，他「7-11」的作息沒有變，對科研的極致追求也沒有變。

他說，「夜深人靜時，與自然界、與文章打交道，那種感覺很純粹、很幸福。」

報效祖國、回報人民是最好的答卷

實現量子反常霍爾效應，材料需要既具備磁性又是絕緣體，由於磁體通常為導體，這是一個自相矛盾的要求。

說來也巧，在王亞愚眼中，一些看似矛盾的地方，也完美融合在薛其坤身上。

薛其坤對學生和藹親切，他會給實驗室學生帶夜宵，與學生們打成一片、談天說地，天馬行空聊技術、談想法，看到學生在實驗操作上一點馬虎，他又會嚴厲批評，嚴肅告誡學生做實驗必須專心致誌，否則一個小細節不注意，都會導致測量結果不準確。

他爽朗豪氣，大大咧咧，像是什麼都不在乎，但把實驗儀器看得非常重，說起儀器兩眼放光。他常說，這些儀器很昂貴，不好好用不僅浪費時間，也浪費科研資源。

薛其坤身上有中國人很傳統的一面，但作為科學家他卻處處求「新」，甚至有點「離經叛道」。王亞愚回憶，與薛其坤討論科學問題時，與一般人想清楚了再做不同，他反而覺得「要想清楚了就不做了」。對待研究，他倡導獨立思考，對與主流學術認識不一致的觀點很有興致，似乎像一位「攪局者」，總希望給科研帶來一些意外。

他的同事評價，這些與通常不一樣的認識，是薛其坤常有科學發現的重要原因。而說起功勞，薛其坤總強調，現代科學研究是團隊合作的結晶，沒有多個優秀實驗團隊緊密高效合作，不可能有量子反常霍爾效應等重大原創突破。

薛其坤非常看重對學生的培養。清華大學物理系教授、黨委書記肖誌剛說，碰到寫文章不太認真的學生，薛老師會要求學生把論文改10遍，且每一個版本都發給他。他會一一對照其中的差別，倒逼學生精益求精的態度。這一招，如今，被肖誌剛用在了自己學生的培養上。

學生科研遇到困難，他又會及時鼓勵，誇讚「你們已經很厲害」，並教導他們多去與同學、師長交流，在討論中成長。他收穫了豐碩的教育果實：率領的團隊成員或培養的學生中有1人當選中國科學院院士，30餘人次入選國家級人才計劃。

憑藉在量子反常霍爾效應方面的創新突破，2023年10月，美國物理學會宣佈，薛其坤獲得奧利弗•J.巴克利獎。自1953年授獎以來，這項國際凝聚態物理領域的最高獎，首次頒發給中國籍物理學家。此前，薛其坤已作為第一完成人榮獲2018年度國家自然科學獎一等獎，並獲得國際低溫物理最高獎——菲列茲•倫敦獎。像這樣有份量的榮譽，薛其坤還有不少。

從沂蒙山區走出，一路成長為國際知名科學家，薛其坤感慨：是改革開放為中國科學走向世界奠定了非常好的基礎，給中國科學家造就了一個做科研的黃金時代。受邀到國際會議上作報告，讓中國人的創新成就得到國際認可，他既感到自豪，也體會到肩上沉甸甸的責任——中國產出的原創成果還比較少，需要努力的事還很多。

他認為，今天，科研條件、環境已經今非昔比，中國人要有學術自信，要敢於去挑戰重大科學難題。解決重大科學難題，解決核心技術難題，是科技工作者報效祖國、回報人民最好的答卷，也是中國科學真正走向世界中心的關鍵標誌。

他確信，在量子科技基礎研究上，中國無論是人才質量還是研究水平，目前都處於世界第一梯隊，「未來，中國在量子科技領域將成為國際上的重要力量，這是年輕一代應該抓住的機遇。」

「我將盡己所能，做出自己的貢獻。」他說。

文/喻思南