考研物理39分的他，斬獲凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)！70年來(lái)首位中國(guó)籍

夢(mèng)晨 2023-10-27 08:48:49 來(lái)源：量子位

夢(mèng)晨 西風(fēng) 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

中國(guó)科學(xué)院院士、南科大校長(zhǎng)薛其坤斬獲凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)項(xiàng)巴克利獎(jiǎng)！

這是該獎(jiǎng)項(xiàng)自設(shè)立70年以來(lái)誕生的首位中國(guó)籍獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

薛院士的獲獎(jiǎng)理由是“對(duì)反映其能帶結(jié)構(gòu)拓?fù)浞矫娴牟牧霞w電子特性進(jìn)行了突破性的理論和實(shí)驗(yàn)研究”。

具體來(lái)說(shuō)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次在拓?fù)浣^緣體中觀(guān)測(cè)到了量子反常霍爾效應(yīng)。這是一種無(wú)需強(qiáng)磁場(chǎng)便可實(shí)現(xiàn)的無(wú)能量損耗的電子運(yùn)動(dòng)。

要知道，自1880年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)后的133年來(lái)，無(wú)人能在實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立觀(guān)測(cè)到反常霍爾效應(yīng)的量子化。

△圖源：清華大學(xué)官網(wǎng)

這項(xiàng)研究于2013年正式發(fā)表于Science，楊振寧曾評(píng)價(jià)該成果為“諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的發(fā)現(xiàn)”，學(xué)界稱(chēng)其為“凝聚態(tài)物理界一項(xiàng)里程碑式的工作”。

薛院士也憑借這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，接連斬獲有著“中國(guó)諾獎(jiǎng)”之稱(chēng)的未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、低溫物理領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)菲列茲·倫敦獎(jiǎng)等眾多獎(jiǎng)項(xiàng)。

然鵝，很多人不知道的是，即便是這樣一位功勛赫赫的科學(xué)家也走過(guò)一段“學(xué)渣”的逆襲之路。

他曾考研3次才上了中科大，第一次數(shù)學(xué)考了39分，第二次物理考了39分；之后讀博也讀了7年的時(shí)間。

與很多“天才”不同，陪伴薛院士這一路的，是無(wú)數(shù)個(gè)“7-11”的日子（7點(diǎn)前進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)才出來(lái)）。

薛院士的更多逆襲經(jīng)歷以及研究成果我們接著往下看。

“學(xué)渣”的逆襲

薛其坤1962年生人，老家在山東沂蒙山區(qū)，打懂事兒起他就有一個(gè)“走出大山”的目標(biāo)。

那時(shí)生活條件艱苦，有時(shí)飯都吃不飽，薛其坤經(jīng)常一邊上學(xué)一邊還要干農(nóng)活。

寒窗苦讀三年，他終于在自己的努力和全家人的支持下，考上了山東大學(xué)。

本科畢業(yè)后，薛其坤被分配到曲阜師范大學(xué)任教。但他的志向遠(yuǎn)不在此，真正的夢(mèng)想是當(dāng)一名科學(xué)家。

于是他邊工作又著手準(zhǔn)備考研，過(guò)程卻并不順利。

考研第一年數(shù)學(xué)僅考了39分；第二年自認(rèn)為最擅長(zhǎng)的物理掉了鏈子，竟也只考了39分。

當(dāng)時(shí)薛其坤已成家，也有著比較體面的工作，身邊親人朋友都勸他要不就放棄吧，但他還是堅(jiān)持要三戰(zhàn)。

皇天不負(fù)有心人，第三年他終于考入了中國(guó)科學(xué)院物理研究所，學(xué)的是凝聚態(tài)物理專(zhuān)業(yè)。

考上了研究生薛其坤也沒(méi)有多輕松，課題研究了好幾年，卻始終拿不出一個(gè)像樣的數(shù)據(jù)寫(xiě)論文。

但好在最后還是拿到了碩士學(xué)位。為了夢(mèng)想薛其坤又繼續(xù)讀博，一讀就是7年。這當(dāng)中，他還有一段前往日本東北大學(xué)學(xué)習(xí)的經(jīng)歷，這在他本人看來(lái)是“人生中最艱難的階段”。

薛其坤當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師櫻井利夫教授對(duì)學(xué)生們極為嚴(yán)格，要求實(shí)驗(yàn)室的每個(gè)人都要遵守“7-11”鐵律，也就是早上7點(diǎn)前到實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)才能離開(kāi)。

并且由于語(yǔ)言不通，薛其坤一開(kāi)始聽(tīng)不懂導(dǎo)師的要求，沒(méi)少受罰受批評(píng)。有一次導(dǎo)師就罰他在三天內(nèi)把數(shù)萬(wàn)顆螺絲釘分類(lèi)擺放整齊。在實(shí)驗(yàn)室中，薛其坤一直屬于一個(gè)邊緣人物。

直到一年半以后，他的研究取得了一項(xiàng)重大突破，這也是櫻井利夫?qū)嶒?yàn)室近30年最具突破性的研究成果。

薛其坤這才終于獲得了導(dǎo)師的認(rèn)可，逆襲之路也就此打開(kāi)。

1997年，薛其坤35歲，成為美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)助理教授，獲得國(guó)家杰出青年基金，之后回國(guó)在中科院物理所工作。

2005年，薛其坤當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士，成為最年輕的院士之一，同年進(jìn)入清華任教。

他也從“7-11”學(xué)生變成了“7-11”教授、“7-11”院士，學(xué)生們紛紛效仿，甚至比他更勤奮。

2013年薛其坤帶隊(duì)攻克了一項(xiàng)世界難題，就此迎來(lái)人生高光時(shí)刻。

這項(xiàng)研究成果也為薛其坤帶來(lái)了這次的巴克利獎(jiǎng)。

從霍爾效應(yīng)到高溫超導(dǎo)

這次巴克利獎(jiǎng)，頒獎(jiǎng)理由為“對(duì)反映其能帶結(jié)構(gòu)拓?fù)浞矫娴牟牧霞w電子特性進(jìn)行了突破性的理論和實(shí)驗(yàn)研究?！?/p>

獲獎(jiǎng)成果更廣為人知的名字是“量子反?；魻栃?yīng)”，提出了微觀(guān)世界電子運(yùn)動(dòng)的新規(guī)律。

不僅已寫(xiě)入教科書(shū)，甚至在物理學(xué)史上都擁有一席之地。

霍爾效應(yīng)早在1879年就被物理學(xué)家埃德溫·霍爾（Edwin Hall）意外發(fā)現(xiàn)。

具體來(lái)說(shuō)，是導(dǎo)體被施加垂直于電流方向的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)在橫向產(chǎn)生電壓差。

這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)完全不同，利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾器件已廣泛應(yīng)用到半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

量子霍爾效應(yīng)的突破則要到100年后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)載流子被限制在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的外加磁場(chǎng)下，霍爾電阻變成了精準(zhǔn)的常數(shù)。

而量子反?；魻栃?yīng)，則要再增加一個(gè)“沒(méi)有外加磁場(chǎng)”的條件。

1988年，理論物理學(xué)家預(yù)言了這種狀態(tài)能夠存在，但在實(shí)驗(yàn)中真正觀(guān)測(cè)到它成了世界級(jí)難題。

突破口出現(xiàn)在2006年，斯坦福教授張首晟領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)預(yù)言了一種有希望的材料“拓?fù)浣^緣體”。

張與薛年齡相仿，學(xué)術(shù)上也一直保持交流。

2008年開(kāi)始，薛其坤團(tuán)隊(duì)開(kāi)始挑戰(zhàn)量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，用4年時(shí)間制備了上千種材料后終于在2012年成功。

2013年，團(tuán)隊(duì)的重磅成果發(fā)表在Science上。

在央視采訪(fǎng)中，楊振寧評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究為“量子反?；魻栃?yīng)是從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里第一次做出了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的物理學(xué)成績(jī)，不僅是科學(xué)界的喜事，也是整個(gè)國(guó)家的喜事”。

薛期坤曾談到，它的難不光是實(shí)驗(yàn)條件非?？量?，也在目標(biāo)不確定的攻關(guān)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)四年，能在三四年的時(shí)間堅(jiān)持聚焦一個(gè)實(shí)驗(yàn)嗎？

其實(shí)最初薛其坤團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)公布時(shí)，也曾遭到質(zhì)疑。直到一年后，有其他團(tuán)隊(duì)復(fù)現(xiàn)出相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果才得到認(rèn)可。

結(jié)果這項(xiàng)成果不僅被寫(xiě)入教科書(shū)，也帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域工作的關(guān)注和發(fā)展。

在薛其坤團(tuán)隊(duì)的成果之后，2018年復(fù)旦團(tuán)隊(duì)首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，2019年中科大、南科大團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三維量子霍爾效應(yīng)。

2020年，北理工與國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)首次在室溫下觀(guān)測(cè)到量子霍爾效應(yīng)。

而在這期間，薛其坤的研究方向又多高溫超導(dǎo)，而且挑戰(zhàn)主流觀(guān)點(diǎn)。

2012年，團(tuán)隊(duì)提出一種新的體系“界面高溫超導(dǎo)”，與主流共識(shí)的各向異性對(duì)稱(chēng)相悖，提出在非常簡(jiǎn)單的體系中發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象是各向同性對(duì)稱(chēng)的結(jié)果

在這之后多年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)與當(dāng)年一樣，又制備了上千個(gè)實(shí)驗(yàn)材料“具有原子級(jí)平整界面的高質(zhì)量約瑟夫森結(jié)”。

終于在2021年發(fā)表新研究，提出銅氧化物高溫超導(dǎo)的對(duì)稱(chēng)性是球形狀態(tài)

薛其坤目前擔(dān)任南方科技大學(xué)校長(zhǎng)一職，除了繼續(xù)科研攻關(guān)之外，也積極推動(dòng)一些“大學(xué)Plus的嘗試”。

讓更多教授們專(zhuān)注于0到1的突破，并致力于通過(guò)獲得政府和周邊地區(qū)的支持，推動(dòng)一些具有從0到1突破意義的科研成果轉(zhuǎn)化、落地。”

關(guān)于這一點(diǎn)，他經(jīng)常舉的例子是大家都在用的手機(jī)觸摸屏。

電阻電容的原理在幾百年前已有發(fā)現(xiàn)，但直到近幾年才用到手機(jī)的觸摸屏上，給人們的生活帶來(lái)了階段性的改變。

而揭開(kāi)高溫超導(dǎo)的謎底，設(shè)計(jì)出高溫超導(dǎo)材料從而對(duì)全人類(lèi)做出貢獻(xiàn)，是薛其坤最大的期待。

參考鏈接：
[1]https://aps.org/programs/honors/prizes/prizerecipient.cfm?last_nm=Xue&first_nm=Qikun&year=2024