薛其坤：量子“足球場”上的“前衛(wèi)”

“一個人能走多遠？他的學術大廈能建成2層樓、50層樓還是數(shù)百層的樓？這很大程度取決于他基礎知識所筑就的地基?！弊鳛槭讉€獲得奧利弗·巴克利獎、菲列茲·倫敦獎的中國籍科學家，薛其坤兩次在諾貝爾論壇作特邀報告。

奧利弗·巴克利獎是國際凝聚態(tài)物理最高獎，菲列茲·倫敦獎是國際低溫物理最高獎，為何薛其坤能獲得這兩項大獎？正是由于薛其坤帶隊在基礎研究領域，取得了量子反常霍爾效應和界面高溫超導等國際引領性重大科學突破。

6月24日，中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長薛其坤站上領獎臺，獲頒2023年度國家最高科學技術獎。

“國家的富強給科學家攀登科學高峰，沖擊世界科學問題，提供了強大支撐和良好條件?！毖ζ淅びH身感受到，國家的改革開放等好政策，為他和一大批科學家創(chuàng)造了實現(xiàn)夢想的機會。

憑科研“金剛鉆”勇闖“無人區(qū)”

如何讓一個運動員，同時擁有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧？在實驗發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃倪^程中，薛其坤團隊就遇到了類似難題，因為他們要制備出磁性的、拓撲的、體絕緣的高質(zhì)量材料。

這種材料將成為勇攀凝聚態(tài)物理科研高峰的“登山杖”。從20世紀80年代初開始，一系列量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)，開啟了拓撲量子物態(tài)這一新研究領域，為未來發(fā)展低能耗電子器件指明了新方向。然而二十多年來，人們一直沒能在真實材料中，實驗發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?/p>

面對眾多挑戰(zhàn)，薛其坤在2002年，帶隊將分子束外延、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜等多種互補的精密實驗手段，創(chuàng)新地互聯(lián)成一個超高真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)在量子材料原子尺度可控制備和表征方面，提供了國際通用的強大實驗技術，現(xiàn)已被國際上近百家研究組采用。

“物理學科發(fā)展至今，已很難在理論層面取得重大突破。”薛其坤認為，在科研競爭中，要想跑贏很多更聰明、更勤奮的同行，搶先攬下實驗層面的“瓷器活”，需要潛心打好科學研究儀器這把“金剛鉆”。

清華大學物理系副教授馮硝曾是薛其坤的博士生，在參與高溫量子反?；魻栃n題攻關時，她將脈沖激光沉積技術與分子束外延設備結(jié)合，擴展了可探索的材料體系。

憑借超分子束外延-掃描隧道顯微鏡-角分辨光電子能譜超高真空聯(lián)合系統(tǒng)這個“金剛鉆”，薛其坤團隊可在原子尺度上精確控制薄膜生長，還能觀測薄膜的生長形貌、缺陷、電子結(jié)構等。他們做出了高質(zhì)量拓撲絕緣體薄膜。從2009年起，薛其坤團隊與清華大學、中國科學院物理研究所、斯坦福大學的專家，強強聯(lián)合，對量子反?；魻栃M行艱難的實驗攻關。

團隊20多位研究生努力4年多，制備出1000多個樣品。歷經(jīng)無數(shù)次失敗、改進、創(chuàng)新，2012年底，薛其坤團隊在世界上首次于實驗中，觀測到了量子反?；魻栃?/p>

這是當時已知的量子霍爾效應家族成員中，最后一個被實驗發(fā)現(xiàn)的，也是唯一一個在中國發(fā)現(xiàn)的。這一研究成果有可能為未來信息技術革命開辟新賽道。如將量子反?；魻枒B(tài)和超導態(tài)結(jié)合，所獲得的量子態(tài)，可解決量子計算研究中的關鍵問題，有可能使科幻電影中超高算力計算機成為現(xiàn)實。

努力用一個突破點打開物理世界的“新天地”

薛其坤在年輕時喜歡踢足球。在他看來，踢足球和做物理學研究，都需要有全局思維，找到戰(zhàn)略突破點。

“要解決物理學的重大科學問題，就需要了解物理學的過去、現(xiàn)在和未來，在洞察整體形勢以及自身研究優(yōu)勢后，才能把好方向、精準出擊?！毖ζ淅⒔缑娓邷爻瑢?、量子反?；魻栃?，作為團隊持續(xù)多年的主攻方向。

自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導體以來，人們還沒發(fā)現(xiàn)常壓下超導轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)附近的新超導體系。按以往的理論和實驗，當超導材料變得很薄時，其超導轉(zhuǎn)變溫度一般會顯著降低。尋找高溫超導新材料，探求高溫超導機理，是整個物理學界最關注的問題之一，科學價值極大。

2008年，薛其坤帶隊利用異質(zhì)結(jié)界面，設計高溫超導體系。經(jīng)過持續(xù)攻關，2012年，薛其坤團隊在鈦酸鍶襯底上外延生長的單層硒化鐵薄膜中，發(fā)現(xiàn)了界面增強的高溫超導電性。這是1986年人類發(fā)現(xiàn)銅氧化物以來，在常壓下超導轉(zhuǎn)變溫度最高的超導體，也為解決高溫超導機理開辟了全新途徑，引起國內(nèi)外大量追蹤研究。

為何能帶隊屢獲重大科研突破？“作為團隊帶頭人，要在戰(zhàn)略上做好規(guī)劃，選準基礎研究的方向、重點?！毖ζ淅⒑Ａ康拈喿x、獨立的思考、廣泛的交流，作為科研人員提升判斷能力的訣竅。

“我們一線科研人員基本每天都要看最新的科學文獻等，我就要求學生認真翻閱文獻，看完之后不但要理解作者做了什么、得到了什么結(jié)果，還要反復思考，給自己多提幾個問題，例如這篇文獻給我最大的啟示是什么？”在薛其坤看來，看一篇文獻可能只需兩小時，但可能要花兩三天才能問出一個好問題。這有利于引導學生獨立思考，有效提高科研判斷能力。

通過讓學生做月度工作報告、課題進展報告等，薛其坤經(jīng)常引導學生從分析數(shù)據(jù)等日常實驗中跳出來，從更高遠的角度，去深入思考所攻關的科學問題。

將培養(yǎng)人才作為最重要的科研成果

薛其坤曾把自己比為一條從沂蒙山區(qū)駛出的小船，“父母給了小船生命。小船有毛病了，導師幫他修修，方向不對了，導師給指導指導。我的學生賦予了小船更青春的生命……”

3位導師對薛其坤影響很大。讀研時，中國導師陸華教授教會他遵循基本規(guī)則；留學時，日本導師櫻井利夫教會他精益求精，美國導師David Aspnes引導他提升科學判斷力。

當成為師者，薛其坤非常看重學生對學習的興趣、與人溝通的能力。在教導學生時，他多次強調(diào)，“要勤奮、認真、團結(jié)”。

“薛老師常說，單打獨斗難以完成重大科學問題，需要不同技術、領域的人合作，這樣研究成功的可能性就會更大。他就特別擅長把大家擰成一股繩。”馮硝也努力將薛其坤的教導，傳遞給自己的研究生們。

薛其坤培養(yǎng)了120多名博士生、博士后，并帶著他們一起追求極致。他帶領的團隊成員或培養(yǎng)的學生中，已有1人入選中國科學院院士，30余人次入選國家級人才計劃。薛其坤常把這視作他個人最成功的一點。

而科教融匯，幫薛其坤及其學生練就了較強的科研能力。“我在中國科學院完成了研究生學業(yè)，科研訓練、攻關是主要的學業(yè)任務。”薛其坤認為，研究型大學也應加強科學技術研究，并發(fā)揮好自身“五育并舉”的強項，培育更多創(chuàng)新人才。

薛其坤領導建設了低維量子物理國家重點實驗室，這是清華大學理科第一個國家重點實驗室。他任清華大學副校長時，發(fā)起了大學生學術研究推進計劃，支持本科生開展自主科研。

擔任南方科技大學校長后，薛其坤提出一流新型研究型大學發(fā)展的“三三五”方略，帶領學校成功入選“雙一流”。

“新型研究型大學最基本的特點，就是科學研究和課堂教學融為一體。”薛其坤表示，南科大全力構建科研能力突出的教師團隊，強化科教融匯，力求為國家高水平科技自立自強培育更多拔尖創(chuàng)新人才。

發(fā)掘和培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是項系統(tǒng)工程，高等教育難以獨立完成?！叭绻芏嘀行W校還將分數(shù)作為培養(yǎng)、評判人才的唯一標準，應試教育的學科培訓、學科競賽等仍大行其道，就會扼殺很多好苗子?！毖ζ淅娬{(diào)，沒有高質(zhì)輕負的基礎教育，就難以營造好拔尖創(chuàng)新人才紛紛破土而出的生態(tài)。

薛其坤通過開講座、擔任榮譽班主任等方式，參與“高中—高校貫通式人才培養(yǎng)模式”，并呼吁更多學校開展類似探索，“中小學校、幼兒園要在孩子們心中播下熱愛科學的種子，守護好孩子們靈動的天性、好奇的眼睛、創(chuàng)新的熱情、求知的初心。沒有對科學發(fā)自本心的酷愛，拔尖創(chuàng)新人才的好種子就難以生根開花”。

薛其坤最喜歡的唐詩是杜甫的作品《望岳》，他時常用這首詩勉勵自己和學生，“如果用‘蕩胸生曾云’的胸懷與境界，去做科學研究；用‘決眥入歸鳥’的專注和洞察力，抓住事物本質(zhì)，付出艱苦的努力和奮斗，總有一天你會登上更高的科學高峰，‘會當凌絕頂，一覽眾山小’。”（中國教育報-中國教育新聞網(wǎng) 記者 劉盾）

中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長薛其坤正在指導學生開展科學研究。南方科技大學 供圖

中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長薛其坤正在給學生講解科學知識。南方科技大學 供圖 

中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長薛其坤正在開展科學研究。南方科技大學 供圖