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中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長薛其坤——

量子“足球場”上的“前衛(wèi)”

發(fā)布時間:2024-06-25 作者:本報記者 劉盾 來源:中國教育報

■致敬國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者

他是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的著名科學(xué)家,取得了多項引領(lǐng)性的重要科學(xué)突破。他率領(lǐng)團(tuán)隊首次實驗觀測到量子反?;魻栃?yīng),在國際上產(chǎn)生重大學(xué)術(shù)影響;在異質(zhì)結(jié)體系中發(fā)現(xiàn)界面增強(qiáng)的高溫超導(dǎo)電性,開啟了國際高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的全新研究方向。

“一個人能走多遠(yuǎn)?他的學(xué)術(shù)大廈能建成兩層樓、五十層樓還是數(shù)百層的樓?這很大程度取決于他基礎(chǔ)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(xué)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(chǔ)研究領(lǐng)域,取得了量子反?;魻栃?yīng)和界面高溫超導(dǎo)等國際引領(lǐng)性重大科學(xué)突破。

6月24日,中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長薛其坤站上領(lǐng)獎臺,獲頒2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎。

“國家的富強(qiáng)給科學(xué)家攀登科學(xué)高峰、沖擊世界科學(xué)問題,提供了強(qiáng)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(xué)家創(chuàng)造了實現(xiàn)夢想的機(jī)會。

憑科研“金剛鉆”勇闖“無人區(qū)”

如何讓一個運(yùn)動員,同時擁有短跑運(yùn)動員的速度、籃球運(yùn)動員的高度和體操運(yùn)動員的靈巧?在實驗發(fā)現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)的過程中,薛其坤團(tuán)隊就遇到了類似難題,因為他們要制備出磁性的、拓?fù)涞?、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(jì)80年代初開始,一系列量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),開啟了拓?fù)淞孔游飸B(tài)這一新研究領(lǐng)域,為發(fā)展低能耗電子器件指明了新方向。然而20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?yīng)。

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(bǔ)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(qiáng)大實驗技術(shù),現(xiàn)已被國際上近百家研究組采用。

“物理學(xué)科發(fā)展至今,已很難在理論層面取得重大突破。”薛其坤認(rèn)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(xué)研究儀器這把“金剛鉆”。

清華大學(xué)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?yīng)課題攻關(guān)時,她將脈沖激光沉積技術(shù)與分子束外延設(shè)備結(jié)合,擴(kuò)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)這把“金剛鉆”,薛其坤團(tuán)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、缺陷和電子結(jié)構(gòu)等。他們做出了高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜。從2009年起,薛其坤團(tuán)隊與清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、斯坦福大學(xué)的專家,強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,對量子反?;魻栃?yīng)進(jìn)行艱難的實驗攻關(guān)。

團(tuán)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(jìn)、創(chuàng)新,2012年底,薛其坤團(tuán)隊在世界上首次于實驗中觀測到了量子反?;魻栃?yīng)。

這是當(dāng)時已知的量子霍爾效應(yīng)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(shù)革命開辟新賽道。如將量子反?;魻枒B(tài)和超導(dǎo)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(guān)鍵問題,有可能使科幻電影中的超高算力計算機(jī)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(xué)研究一樣,都需要有全局思維,找到戰(zhàn)略突破點。

“要解決物理學(xué)的重大科學(xué)問題,就需要了解物理學(xué)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(zhǔn)出擊。”薛其坤將界面高溫超導(dǎo)、量子反?;魻栃?yīng)等,作為團(tuán)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(dǎo)體以來,人們還沒發(fā)現(xiàn)常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)附近的新超導(dǎo)體系。按以往的理論和實驗,當(dāng)超導(dǎo)材料變得很薄時,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一般會顯著降低。尋找高溫超導(dǎo)新材料,探求高溫超導(dǎo)機(jī)理,是整個物理學(xué)界最關(guān)注的問題之一,科學(xué)價值極大。

2008年,薛其坤帶隊利用異質(zhì)結(jié)界面,設(shè)計高溫超導(dǎo)體系。經(jīng)過持續(xù)攻關(guān),2012年,薛其坤團(tuán)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(qiáng)的高溫超導(dǎo)電性。這是1986年人類發(fā)現(xiàn)銅氧化物以來,在常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的超導(dǎo)體,也為解決高溫超導(dǎo)機(jī)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(tuán)隊帶頭人,要在戰(zhàn)略上做好規(guī)劃,選準(zhǔn)基礎(chǔ)研究的方向、重點?!毖ζ淅⒑A块喿x、獨(dú)立思考、廣泛交流,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(xué)文獻(xiàn)等,我就要求學(xué)生認(rèn)真翻閱文獻(xiàn),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(fù)思考,給自己多提幾個問題,例如這篇文獻(xiàn)給我最大的啟示是什么?”在薛其坤看來,看一篇文獻(xiàn)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(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考,有效提高科研判斷能力。

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

將培養(yǎng)的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(dǎo)師幫他修修;方向不對了,導(dǎo)師給指導(dǎo)指導(dǎo)。我的學(xué)生賦予了小船更青春的生命……”

三位導(dǎo)師對薛其坤影響很大。讀研時,中國導(dǎo)師陸華教授教會他遵循基本規(guī)則;留學(xué)時,日本導(dǎo)師櫻井利夫教會他精益求精,美國導(dǎo)師David Aspnes引導(dǎo)他提升科學(xué)判斷力。

當(dāng)成為師者,薛其坤非??粗貙W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和與人溝通的能力。在教導(dǎo)學(xué)生時,他多次強(qiáng)調(diào),“要勤奮、認(rèn)真、團(tuán)結(jié)”。

“薛老師常說,單打獨(dú)斗難以完成重大科學(xué)問題,需要不同技術(shù)、領(lǐng)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(dǎo),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(lǐng)的團(tuán)隊成員或培養(yǎng)的學(xué)生中,已有一人入選中國科學(xué)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(xué)生練就了較強(qiáng)的科研能力。薛其坤認(rèn)為,研究型大學(xué)也應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)研究,并發(fā)揮好自身“五育”并舉的強(qiáng)項,培育更多創(chuàng)新人才。

薛其坤領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)了低維量子物理國家重點實驗室,這是清華大學(xué)理科第一個國家重點實驗室。擔(dān)任南科大校長后,他提出一流新型研究型大學(xué)發(fā)展的“三三五”方略,帶領(lǐng)學(xué)校成功入選“雙一流”。

“新型研究型大學(xué)最基本的特點,就是將科學(xué)研究和課堂教學(xué)融為一體?!毖ζ淅け硎荆峡拼笕?gòu)建科研能力突出的教師團(tuán)隊,強(qiáng)化科教融匯,力求為國家高水平科技自立自強(qiáng)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(dú)立完成?!叭绻芏嘀行W(xué)校還將分?jǐn)?shù)作為培養(yǎng)、評判人才的唯一標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)試教育的學(xué)科培訓(xùn)、學(xué)科競賽等仍大行其道,就會扼殺很多好苗子?!毖ζ淅?qiáng)調(diào),沒有高質(zhì)輕負(fù)的基礎(chǔ)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(dān)任榮譽(yù)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(xué)校開展類似探索,“中小學(xué)校、幼兒園要在孩子們心中播下熱愛科學(xué)的種子,守護(hù)好孩子們靈動的天性、好奇的眼睛、創(chuàng)新的熱情和求知的初心”。

薛其坤最喜歡杜甫的《望岳》,他時常用這首詩勉勵自己和學(xué)生,“如果用‘蕩胸生曾云’的胸懷與境界去做科學(xué)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(xué)高峰,‘會當(dāng)凌絕頂,一覽眾山小’”。

《中國教育報》2024年06月25日第3版 

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