發稿時間：2024-09-09 13:36:00 來源： 中國青年報客戶端
葛近文 張寧潔 中青報·中青網記者 王燁捷
“人人那個都說沂蒙山好，沂蒙那個山上好風光……”伴隨著悠揚的沂蒙山小調，國家最高科學技術獎獲得者、中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤，9月8日來到第八期“浦江科學大師講壇”正式開講。
這位從沂蒙山區走出來的物理學家從未忘記家鄉。他說，正是簡樸艱苦的年少生活，賦予自己勤奮堅韌的品質，使他能夠堅持“7-11”（早7點進實驗室，晚11點離開）工作模式30年，并支撐他在攀登科學高峰的路上一路前行。
薛其坤是中國凝聚態物理領域的杰出科學家，以其在量子反常霍爾效應和高溫超導電性研究中的開創性成就贏得了學界的廣泛認可，獲得包括國家自然科學一等獎、國家最高科學技術獎、菲列茲·倫敦獎、巴克利獎等多項國內外重要獎項。
圖為薛其坤在浦江科學大師講壇上。本文圖片均由復旦大學提供。
“超導是物理學科學發現的富礦。”薛其坤介紹，過去113年里，共有5次諾貝爾物理學獎授予超導研究的物理學家。他喜歡這種“富礦”，因為這種領域不僅蘊藏著豐富的科學發現，更能考驗一個人的學術水平。
“超導體，首先必須是導體。導體電阻主要來源于原子振動對電子的散射。”薛其坤打了個形象的比喻：“溫度低的時候，原子就不大運動了。就像一幫人做廣播體操，中間有一個人想穿過去，這些人如果一直亂走，人很難走過去；但如果這些人都停下來，這個人就能找到空隙走過去。也就是說，溫度越低，原子振動越弱，電阻就容易通過，所以超導一般會發生在低溫。”
溫度超過40K（零下233 °C）的超導為高溫超導。因此，在超導研究領域，提高超導體材料的臨界溫度（Tc）是關鍵。而霍爾效應的發現，打開了人們認識微觀世界的又一扇大門。
霍爾效應指當電流沿縱向通過導體或半導體薄片時，如果薄片置于垂直方向的磁場中，就會在其兩側產生一個橫向電壓，即霍爾電壓。這是由于載流子在洛倫茲力的作用下發生偏轉所導致的。
而量子霍爾效應，則是霍爾效應的一種量子化版本。它是在強磁場下出現的一種特殊狀態，其中霍爾電阻呈現出量子化的階梯狀特征。量子霍爾效應可以進一步分為整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應，前者發生在二維電子系統中，后者涉及了分數激發態。
薛其坤提到，盡管霍爾效應通常需要在極強磁場下才能觀察到，但早在1880年，霍爾就在研究磁性金屬的霍爾效應時發現了一個有趣的現象：即使不加外磁場，也可以觀測到霍爾電阻，這種在零磁場中的霍爾效應被稱為反常霍爾效應。
該發現引發了另一個問題：既然存在量子霍爾效應，那么是否也存在一個量子化的反常霍爾效應版本？
量子反常霍爾效應正是這樣一種現象，它不需要外加磁場即可觀察到量子化的霍爾電阻。在量子反常霍爾狀態下，材料表面的電子遵循著特定的軌跡運動，形成所謂的邊緣態，這些邊緣態允許電子沿著特定的方向無散射地流動，從而大大降低了能量損耗。
“如果超導體中，所有地方的電阻都為0，那么量子霍爾效應的材料內部的電阻無窮大，而邊緣的電阻為0。”薛其坤解釋道。
回溯超導研究發展歷程后，科學研究究竟該怎么去定義？薛其坤分享了自己對科學研究的理解，把科學研究分成三個層次——“0到1”的發現、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。
圖為薛其坤在浦江科學大師講壇上。
“選擇研究方向至關重要。”他為青年研究人員給出建議，“如果是在這樣一個前沿方向上，你就可能有機會在巨人科學發現的基礎上再做出新的科學發現。”
中國科學院院士、復旦大學物理學系教授孫鑫提問：“在你們觀測到的量子反常霍爾效應的基礎上，能不能發現一個趨勢，更上一層樓，觀測到分數的量子反常霍爾效應？”
“這是該領域很多物理學家目前正在追逐的目標。”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實現了分數化的量子反常霍爾效應，很多年輕研究者都在這個方向上取得了新的成績。”
還有學生向薛其坤請教：“新興的鎳基超導體，能否給未來的科研工作帶來新的進展？”薛其坤答道，國內外高校在這方面都做出了新的成果、突破，并鼓勵年輕人“一定不要有思想上的包袱，不要因為一些科學研究的理論或過去一些結果的限制而阻礙了對未知的探索”。
“在元素周期表上的任何元素中，都有可能發現新的高溫超導，高溫超導的探索這個賽場是非常廣闊的，值得堅持下去！”他說。
量子反常霍爾效應的發現為薛其坤帶來了諸多贊譽，但他的工作并不止步于此。
圖為薛其坤在浦江科學大師講壇上。
他在該領域還有其他研究方向：“第一個方向是實驗技術，包括分子束外延、掃描隧道顯微學、角分辨光電子能譜這些設備，都是我的研究對象。另一個方向是新的前沿問題，包括表面物理、拓撲量子態、低維超導電性等。”
其中，液氮溫區的超導電性問題是薛其坤團隊重點攻關的目標，“20世紀80年代開始，液氮溫區超導問題就進入了學界的視野，但其原理是什么，現在還沒有科學家能很好地解釋，我們希望能在這一領域作出突破。”
