黃昉苨

2012年10月12日晚上10點(diǎn)35分，薛其坤接到團(tuán)隊(duì)成員、博士生常翠祖的一條短信：“薛老師，量子化反?；魻栃?yīng)出來(lái)了，等待詳細(xì)測(cè)量?！?/p>

實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)是一條漂亮的曲線，與理想情況下量子反?；魻栃?yīng)的行為完全吻合。

一個(gè)極為美妙的現(xiàn)象

盡管“貴”為清華大學(xué)物理系主任，但在此前的清華校園，薛其坤還不是一個(gè)引人注意的角色。不止一個(gè)見(jiàn)過(guò)他的人表示，幾乎聽(tīng)不懂這位中科院院士與別人隨口說(shuō)起的科研內(nèi)容。

事實(shí)上，薛其坤即將開(kāi)啟一個(gè)全新的時(shí)代。由這位教授領(lǐng)導(dǎo)，來(lái)自清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理所與美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)宣布，他們從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。他們的相關(guān)論文，于2013年3月15日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上。

對(duì)普通人而言，量子反?；魻栃?yīng)并不只是一個(gè)讓人云里霧里的科學(xué)名詞，它還意味著某種科幻小說(shuō)般的未來(lái)生活：若這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)能投入應(yīng)用，超級(jí)計(jì)算機(jī)將有可能成為iPad大小的掌上筆記本，智能手機(jī)內(nèi)存也許會(huì)超過(guò)目前最先進(jìn)產(chǎn)品的上千倍，除了超長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，還將擁有當(dāng)代人無(wú)法想象的快速。

這一發(fā)現(xiàn)甚至令年過(guò)九旬的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧都激動(dòng)了：“這是從中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里，第一次做出并發(fā)表諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文?！?/p>

普通人幾乎沒(méi)人知道什么叫量子反?；魻栃?yīng)，但1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的“霍爾效應(yīng)”，實(shí)際上已經(jīng)被應(yīng)用在普通人生活的方方面面：測(cè)量磁場(chǎng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)事故，也可以生產(chǎn)新的器件，比如汽車的里程表、速度表，以及點(diǎn)火系統(tǒng)。

這一次，薛其坤團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)家眼中，更是一個(gè)極為美妙的現(xiàn)象。在動(dòng)畫(huà)演示中，擺滿儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室里，一個(gè)透明的長(zhǎng)方體物件內(nèi)，許多玫紅色小顆粒正在橫沖直撞。一會(huì)兒，小顆粒乖乖地排在材料兩邊，一邊的隊(duì)伍向前跑，對(duì)面的隊(duì)伍則向后跑，就像公路上遵守交通規(guī)則的往來(lái)車輛，在不同的車道里暢通無(wú)阻。

“如果這是一個(gè)一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料，那里面的電子運(yùn)動(dòng)是非常無(wú)序的，它們雜亂無(wú)章，互相碰撞。這就引起電子器件的速度降低，而且會(huì)使能耗增大。” 清華大學(xué)物理系教授王亞愚試圖通過(guò)一種通俗易懂的方式向外界解釋他們的研究。

雖然肉眼看不到這些到處亂跑的電子，但誰(shuí)都會(huì)在生活中感受到它們的存在。比如，盡管有風(fēng)扇“呼啦呼啦”地吹，工作多時(shí)的筆記本電腦卻還是熱得燙手，反應(yīng)緩慢得像老牛爬坡。但這些粒子卻是可以被科學(xué)家“管”起來(lái)，順著一定規(guī)律在材料內(nèi)老老實(shí)實(shí)排著隊(duì)跑步的。

“如果我們?cè)诓牧仙霞右粋€(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，電子運(yùn)動(dòng)就變得有規(guī)律了——它們?cè)诓牧系膬啥耍窀咚俟飞系钠囈粯臃聪蜻\(yùn)動(dòng)，這時(shí)候，電子運(yùn)動(dòng)速度就變快了?！蓖鮼営藿淌诮忉屨f(shuō)。

在上世紀(jì)80年代，這種量子霍爾效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青在研究極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)。這一成果讓他獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

只是，要讓肉眼都看不到的電子像動(dòng)畫(huà)演示中那樣規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)，至少得是一個(gè)一人高、冰箱一般大小的設(shè)備，不僅運(yùn)作起來(lái)非常麻煩，而且極其昂貴。

顯然，這不是一件能走出實(shí)驗(yàn)室的“降溫提速設(shè)備”。

這也就是為什么薛其坤的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的量子反?；魻栃?yīng)是這么重要，又是這么優(yōu)美了：在零磁場(chǎng)中，材料的反常霍爾電阻達(dá)到量子電阻的數(shù)值，并形成一個(gè)平臺(tái)，也就是說(shuō)，在微觀世界中，那些原本亂沖亂撞的電子正循著“高速公路”暢通有序地運(yùn)動(dòng)著。這一次，沒(méi)有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。

這一場(chǎng)面證實(shí)了科學(xué)界等待多年的預(yù)言。距霍爾最初發(fā)現(xiàn)這種電磁效應(yīng)已130年有余，距薛其坤的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，也已整整四年。

“這是量子霍爾家族的最后一位成員。”一位美國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上撰文稱，“不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，使人們終于能夠完整地研究量子霍爾效應(yīng)的三重奏了?！?/p>

“吃飯，睡覺(jué)，做研究”

35歲晉級(jí)教授，41歲成為中國(guó)科學(xué)院最年輕的院士之一，在薛其坤一帆風(fēng)順的科研之路背后，是異于常人的勤奮與堅(jiān)持。他有一個(gè)比“院士”更響亮的名號(hào)，叫“7-11”：早上7點(diǎn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作，一直干到晚上11點(diǎn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的四年中，他的團(tuán)隊(duì)先后嘗試了1000多個(gè)拓?fù)浣^緣體樣品。

磁性拓?fù)浣^緣體是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)量子反常效應(yīng)，對(duì)材料的要求非常高：這種材料必須具有拓?fù)涮匦?，具有長(zhǎng)程鐵磁序，體內(nèi)則必須是絕緣態(tài)。按科學(xué)家的解釋，就好比要求一個(gè)人具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧。

在薛其坤的指導(dǎo)下，研究者們用于實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣^緣體樣品是以原子為單位的：在100萬(wàn)個(gè)原子中，只能有一個(gè)雜質(zhì)原子。這1000多個(gè)不到小拇指指甲蓋大小的特殊實(shí)驗(yàn)材料，都需要在超真空環(huán)境中慢慢長(zhǎng)出來(lái)。

分散在世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員，每天都通過(guò)電話和郵件交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隔兩三周就充分討論實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)。不過(guò)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，他們得不到任何有意義的結(jié)果，那時(shí)他們都“不大好意思見(jiàn)薛老師”。

但團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者薛其坤耐得住性子。他是過(guò)過(guò)苦日子的人。小時(shí)候，母親得到了一塊珍貴的牛肉，舍不得吃，一定要等著外出上學(xué)的孩子回家，才把已經(jīng)風(fēng)干的牛肉慢慢在水里浸開(kāi)，包了餃子吃。

很多年以后，這個(gè)從沂蒙山區(qū)走出來(lái)的農(nóng)村孩子還記得，年少時(shí)第一次進(jìn)縣城，如何被那里的繁華震驚。他對(duì)家鄉(xiāng)記者描述說(shuō)，那心情就像臨沂人的一句笑談，“蒙陰就像北京一樣，是個(gè)大地方”。

當(dāng)時(shí)這少年心中的“最高理想”，就是在蒙陰縣城“找個(gè)工作，娶個(gè)媳婦”。這人生理想至少實(shí)現(xiàn)了一半，薛其坤后來(lái)確實(shí)娶到了一個(gè)蒙陰媳婦。另一半人生也許有些超出他最初預(yù)想的軌道：在日本和美國(guó)留學(xué)，35歲晉級(jí)教授，41歲成為中科院最年輕的院士之一。“我根本沒(méi)想到自己會(huì)是個(gè)科學(xué)家……只想有事干，踏踏實(shí)實(shí)做點(diǎn)事”。

在他人看來(lái)幾乎是一帆風(fēng)順的履歷，在當(dāng)事人心中則另有一番滋味：大學(xué)畢業(yè)后一次又一次地考研，第一次考哈爾濱工業(yè)大學(xué)，高等數(shù)學(xué)只考了39分，落榜；兩年后報(bào)考中科院物理所，物理考了39分，又落榜。

第三年，薛其坤終于考上了中科院的物理所。但在之后的幾年里，這個(gè)大齡研究生“整天處在維修儀器的苦惱狀態(tài)中”。當(dāng)年，物理所的設(shè)備不靈光，常常做不了實(shí)驗(yàn)。就算一次次做實(shí)驗(yàn)，但得到的數(shù)據(jù)也總是對(duì)不上號(hào)。直到全無(wú)日語(yǔ)基礎(chǔ)的他被送往日本東北大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，生活才逐漸順利了起來(lái)。正是在日本導(dǎo)師櫻井利夫的要求下，他養(yǎng)成了“7-11”的工作習(xí)慣。隨后，他被櫻井先生推薦至美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)D.E.Aspnes門下做博士后。這位老先生極有個(gè)性，每次實(shí)驗(yàn)室同事外出聚餐，年過(guò)六旬的他總會(huì)騎著摩托車，帶上一個(gè)學(xué)生，順著高速公路一路風(fēng)馳電掣而去。

如今，當(dāng)薛其坤成為整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的中心人物后，他也極其擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)每一個(gè)人的優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)團(tuán)隊(duì)鼓勁。

與薛其坤有過(guò)接觸的人眾口一詞地描述說(shuō)，這位科學(xué)家風(fēng)趣幽默，精力充沛。他喜歡踢足球，愛(ài)看武俠小說(shuō)，早年生活中令人愉快的消遣是在樓道里打麻將。而他的研究生則提到，這位導(dǎo)師每次出差后回北京的第一件事，就是去實(shí)驗(yàn)室看看有沒(méi)有什么新發(fā)現(xiàn)，哪怕已經(jīng)是晚上12點(diǎn)。

在就任清華教授之后的一次采訪中，薛其坤對(duì)記者介紹說(shuō)，自己的團(tuán)隊(duì)來(lái)自五湖四海，有著共同的志向。誰(shuí)知對(duì)方問(wèn)他：您的團(tuán)隊(duì)成員有什么共同愛(ài)好嗎？

這位團(tuán)隊(duì)“老大”思索了片刻之后說(shuō)，吃飯、睡覺(jué)、做研究。

（張?jiān)此]自2013年6月17日《中國(guó)青年報(bào)》 原標(biāo)題為《諾貝爾獎(jiǎng)量級(jí)的發(fā)現(xiàn)出在中國(guó)實(shí)驗(yàn)室》）