考研物理39分的他，斬獲凝聚態(tài)物理最高獎！70年來首位中國籍

夢晨 2023-10-27 08:48:49 來源：量子位

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中國科學(xué)院院士、南科大校長薛其坤斬獲凝聚態(tài)物理最高獎項巴克利獎！

這是該獎項自設(shè)立70年以來誕生的首位中國籍獲獎?wù)摺?/p>

薛院士的獲獎理由是“對反映其能帶結(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驗研究”。

具體來說，他帶領(lǐng)團(tuán)隊首次在拓?fù)浣^緣體中觀測到了量子反常霍爾效應(yīng)。這是一種無需強磁場便可實現(xiàn)的無能量損耗的電子運動。

要知道，自1880年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)后的133年來，無人能在實驗中獨立觀測到反常霍爾效應(yīng)的量子化。

△圖源：清華大學(xué)官網(wǎng)

這項研究于2013年正式發(fā)表于Science，楊振寧曾評價該成果為“諾貝爾獎級別的發(fā)現(xiàn)”，學(xué)界稱其為“凝聚態(tài)物理界一項里程碑式的工作”。

薛院士也憑借這項發(fā)現(xiàn)，接連斬獲有著“中國諾獎”之稱的未來科學(xué)大獎、國家自然科學(xué)領(lǐng)域最高獎項國家自然科學(xué)一等獎、低溫物理領(lǐng)域最高獎項菲列茲·倫敦獎等眾多獎項。

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年的時間。

與很多“天才”不同，陪伴薛院士這一路的，是無數(shù)個“7-11”的日子（7點前進(jìn)實驗室，晚上11點才出來）。

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“走出大山”的目標(biāo)。

那時生活條件艱苦，有時飯都吃不飽，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)為最擅長的物理掉了鏈子，竟也只考了39分。

當(dāng)時薛其坤已成家，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，但他還是堅持要三戰(zhàn)。

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

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

但好在最后還是拿到了碩士學(xué)位。為了夢想薛其坤又繼續(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，這在他本人看來是“人生中最艱難的階段”。

薛其坤當(dāng)時的導(dǎo)師櫻井利夫教授對學(xué)生們極為嚴(yán)格，要求實驗室的每個人都要遵守“7-11”鐵律，也就是早上7點前到實驗室，晚上11點才能離開。

并且由于語言不通，薛其坤一開始聽不懂導(dǎo)師的要求，沒少受罰受批評。有一次導(dǎo)師就罰他在三天內(nèi)把數(shù)萬顆螺絲釘分類擺放整齊。在實驗室中，薛其坤一直屬于一個邊緣人物。

直到一年半以后，他的研究取得了一項重大突破，這也是櫻井利夫?qū)嶒炇医?0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。

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

2005年，薛其坤當(dāng)選中國科學(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年薛其坤帶隊攻克了一項世界難題，就此迎來人生高光時刻。

這項研究成果也為薛其坤帶來了這次的巴克利獎。

從霍爾效應(yīng)到高溫超導(dǎo)

這次巴克利獎，頒獎理由為“對反映其能帶結(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驗研究?！?/p>

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

不僅已寫入教科書，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)。

具體來說，是導(dǎo)體被施加垂直于電流方向的磁場時會在橫向產(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二維平面內(nèi)運動時，在一定的外加磁場下，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“沒有外加磁場”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，但在實驗中真正觀測到它成了世界級難題。

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年開始，薛其坤團(tuán)隊開始挑戰(zhàn)量子反常霍爾效應(yīng)的實驗，用4年時間制備了上千種材料后終于在2012年成功。

2013年，團(tuán)隊的重磅成果發(fā)表在Science上。

在央視采訪中，楊振寧評價這項研究為“量子反常霍爾效應(yīng)是從中國實驗室里第一次做出了諾貝爾獎級別的物理學(xué)成績，不僅是科學(xué)界的喜事，也是整個國家的喜事”。

薛期坤曾談到，它的難不光是實驗條件非常苛刻，也在目標(biāo)不確定的攻關(guān)時間長達(dá)四年，能在三四年的時間堅持聚焦一個實驗嗎？

其實最初薛其坤團(tuán)隊的數(shù)據(jù)公布時，也曾遭到質(zhì)疑。直到一年后，有其他團(tuán)隊復(fù)現(xiàn)出相同的實驗結(jié)果才得到認(rèn)可。

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

在薛其坤團(tuán)隊的成果之后，2018年復(fù)旦團(tuán)隊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)隊首次實驗驗證三維量子霍爾效應(yīng)。

2020年，北理工與國際合作團(tuán)隊首次在室溫下觀測到量子霍爾效應(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)主流觀點。

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

在這之后多年時間，團(tuán)隊與當(dāng)年一樣，又制備了上千個實驗材料“具有原子級平整界面的高質(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)的對稱性是球形狀態(tài)

薛其坤目前擔(dān)任南方科技大學(xué)校長一職，除了繼續(xù)科研攻關(guān)之外，也積極推動一些“大學(xué)Plus的嘗試”。

讓更多教授們專注于0到1的突破，并致力于通過獲得政府和周邊地區(qū)的支持，推動一些具有從0到1突破意義的科研成果轉(zhuǎn)化、落地?！?/p>

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

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的觸摸屏上，給人們的生活帶來了階段性的改變。

而揭開高溫超導(dǎo)的謎底，設(shè)計出高溫超導(dǎo)材料從而對全人類做出貢獻(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