發(fā)稿時(shí)間：2024-09-09 13:36:00 來(lái)源： 中國(guó)青年報(bào)客戶端
葛近文 張寧潔 中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷
“人人那個(gè)都說(shuō)沂蒙山好，沂蒙那個(gè)山上好風(fēng)光……”伴隨著悠揚(yáng)的沂蒙山小調(diào)，國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤，9月8日來(lái)到第八期“浦江科學(xué)大師講壇”正式開講。
這位從沂蒙山區(qū)走出來(lái)的物理學(xué)家從未忘記家鄉(xiāng)。他說(shuō)，正是簡(jiǎn)樸艱苦的年少生活，賦予自己勤奮堅(jiān)韌的品質(zhì)，使他能夠堅(jiān)持“7-11”（早7點(diǎn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，晚11點(diǎn)離開）工作模式30年，并支撐他在攀登科學(xué)高峰的路上一路前行。
薛其坤是中國(guó)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的杰出科學(xué)家，以其在量子反�；魻栃�(yīng)和高溫超導(dǎo)電性研究中的開創(chuàng)性成就贏得了學(xué)界的廣泛認(rèn)可，獲得包括國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、菲列茲·倫敦獎(jiǎng)、巴克利獎(jiǎng)等多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外重要獎(jiǎng)項(xiàng)。
圖為薛其坤在浦江科學(xué)大師講壇上。本文圖片均由復(fù)旦大學(xué)提供。
“超導(dǎo)是物理學(xué)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的富礦。”薛其坤介紹，過(guò)去113年里，共有5次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予超導(dǎo)研究的物理學(xué)家。他喜歡這種“富礦”，因?yàn)檫@種領(lǐng)域不僅蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，更能考驗(yàn)一個(gè)人的學(xué)術(shù)水平。
“超導(dǎo)體，首先必須是導(dǎo)體。導(dǎo)體電阻主要來(lái)源于原子振動(dòng)對(duì)電子的散射。”薛其坤打了個(gè)形象的比喻：“溫度低的時(shí)候，原子就不大運(yùn)動(dòng)了。就像一幫人做廣播體操，中間有一個(gè)人想穿過(guò)去，這些人如果一直亂走，人很難走過(guò)去；但如果這些人都停下來(lái)，這個(gè)人就能找到空隙走過(guò)去。也就是說(shuō)，溫度越低，原子振動(dòng)越弱，電阻就容易通過(guò)，所以超導(dǎo)一般會(huì)發(fā)生在低溫。”
溫度超過(guò)40K（零下233 °C）的超導(dǎo)為高溫超導(dǎo)。因此，在超導(dǎo)研究領(lǐng)域，提高超導(dǎo)體材料的臨界溫度（Tc）是關(guān)鍵。而霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，打開了人們認(rèn)識(shí)微觀世界的又一扇大門。
霍爾效應(yīng)指當(dāng)電流沿縱向通過(guò)導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時(shí)，如果薄片置于垂直方向的磁場(chǎng)中，就會(huì)在其兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)橫向電壓，即霍爾電壓。這是由于載流子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的。
而量子霍爾效應(yīng)，則是霍爾效應(yīng)的一種量子化版本。它是在強(qiáng)磁場(chǎng)下出現(xiàn)的一種特殊狀態(tài)，其中霍爾電阻呈現(xiàn)出量子化的階梯狀特征。量子霍爾效應(yīng)可以進(jìn)一步分為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，前者發(fā)生在二維電子系統(tǒng)中，后者涉及了分?jǐn)?shù)激發(fā)態(tài)。
薛其坤提到，盡管霍爾效應(yīng)通常需要在極強(qiáng)磁場(chǎng)下才能觀察到，但早在1880年，霍爾就在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：即使不加外磁場(chǎng)，也可以觀測(cè)到霍爾電阻，這種在零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)被稱為反�；魻栃�(yīng)。
該發(fā)現(xiàn)引發(fā)了另一個(gè)問(wèn)題：既然存在量子霍爾效應(yīng)，那么是否也存在一個(gè)量子化的反常霍爾效應(yīng)版本？
量子反�；魻栃�(yīng)正是這樣一種現(xiàn)象，它不需要外加磁場(chǎng)即可觀察到量子化的霍爾電阻。在量子反�；魻枲顟B(tài)下，材料表面的電子遵循著特定的軌跡運(yùn)動(dòng)，形成所謂的邊緣態(tài)，這些邊緣態(tài)允許電子沿著特定的方向無(wú)散射地流動(dòng)，從而大大降低了能量損耗。
“如果超導(dǎo)體中，所有地方的電阻都為0，那么量子霍爾效應(yīng)的材料內(nèi)部的電阻無(wú)窮大，而邊緣的電阻為0。”薛其坤解釋道。
回溯超導(dǎo)研究發(fā)展歷程后，科學(xué)研究究竟該怎么去定義？薛其坤分享了自己對(duì)科學(xué)研究的理解，把科學(xué)研究分成三個(gè)層次——“0到1”的發(fā)現(xiàn)、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。
圖為薛其坤在浦江科學(xué)大師講壇上。
“選擇研究方向至關(guān)重要。”他為青年研究人員給出建議，“如果是在這樣一個(gè)前沿方向上，你就可能有機(jī)會(huì)在巨人科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上再做出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”
中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授孫鑫提問(wèn)：“在你們觀測(cè)到的量子反�；魻栃�(yīng)的基礎(chǔ)上，能不能發(fā)現(xiàn)一個(gè)趨勢(shì)，更上一層樓，觀測(cè)到分?jǐn)?shù)的量子反�；魻栃�(yīng)？”
“這是該領(lǐng)域很多物理學(xué)家目前正在追逐的目標(biāo)。”薛其坤答道，“值得讓我們高興的是，去年開始在新的材料中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)化的量子反�；魻栃�(yīng)，很多年輕研究者都在這個(gè)方向上取得了新的成績(jī)。”
還有學(xué)生向薛其坤請(qǐng)教：“新興的鎳基超導(dǎo)體，能否給未來(lái)的科研工作帶來(lái)新的進(jìn)展？”薛其坤答道，國(guó)內(nèi)外高校在這方面都做出了新的成果、突破，并鼓勵(lì)年輕人“一定不要有思想上的包袱，不要因?yàn)橐恍┛茖W(xué)研究的理論或過(guò)去一些結(jié)果的限制而阻礙了對(duì)未知的探索”。
“在元素周期表上的任何元素中，都有可能發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)，高溫超導(dǎo)的探索這個(gè)賽場(chǎng)是非常廣闊的，值得堅(jiān)持下去！”他說(shuō)。
量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為薛其坤帶來(lái)了諸多贊譽(yù)，但他的工作并不止步于此。
圖為薛其坤在浦江科學(xué)大師講壇上。
他在該領(lǐng)域還有其他研究方向：“第一個(gè)方向是實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括分子束外延、掃描隧道顯微學(xué)、角分辨光電子能譜這些設(shè)備，都是我的研究對(duì)象。另一個(gè)方向是新的前沿問(wèn)題，包括表面物理、拓?fù)淞孔討B(tài)、低維超導(dǎo)電性等。”
其中，液氮溫區(qū)的超導(dǎo)電性問(wèn)題是薛其坤團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)攻關(guān)的目標(biāo)，“20世紀(jì)80年代開始，液氮溫區(qū)超導(dǎo)問(wèn)題就進(jìn)入了學(xué)界的視野，但其原理是什么，現(xiàn)在還沒(méi)有科學(xué)家能很好地解釋，我們希望能在這一領(lǐng)域作出突破。”
