科學家鼓勵青年人勇攀高峰：「高溫超導探索的賽場，值得堅持下去」

（香港文匯網記者 章蘿蘭 上海報道）當代中國凝聚態物理領域的傑出科學家、中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤，日前在上海復旦大學舉行的「浦江科學大師講壇」上表示，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！」他並鼓勵青年人要勇攀科學高峰，「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。」

作為當代中國凝聚態物理領域的傑出科學家，薛其坤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。

從學術「富礦」中挖出新的「珠寶」

「超導是物理學科學發現的富礦。」薛其坤介紹，過去113年裏，共有五次諾貝爾物理獎授予超導研究的物理學家。身為科研工作者，他喜歡這種「富礦」，因為這種領域不僅蘊藏着豐富的科學發現，更能考驗一個人的學術水平。

「超導體，首先必須是導體。導體電阻主要來源於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，打開了我們認識微觀世界的又一扇大門。

薛其坤提到，儘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。這一發現引發了另一個問題：既然存在量子霍爾效應，那麼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着特定的軌跡運動，形成所謂的邊緣態，這些邊緣態允許電子沿着特定的方向無散射地流動，從而大大降低了能量損耗。「如果超導體中是所有地方的電阻都為0，那麼量子霍爾效應的材料就是內部的電阻無窮大，而邊緣的電阻為0。」薛其坤解釋道。

回溯超導研究發展歷程後，科學研究究竟該怎麼去定義？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。「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，你就可能有機會在原來巨人科學發現的基礎上再做出新的科學發現。」

「高溫超導探索的賽道，值得堅持下去」

如此重要的量子反常霍爾效應，是怎麼被發現的？為驗證這一理論物理預言，2008年起薛其坤就開始帶領研究團隊，探索量子霍爾效應在無磁場條件下的實現可能性。量子反常霍爾效應的實現條件極為苛刻，需要一種具備拓撲特性、長程鐵磁序和體內絕緣態三個條件的超薄膜材料。

「這是一種三不像的矛盾體，三個矛盾點是，大部分鐵磁材料都是導電的，二維情形下很難實現鐵磁性，以及磁性和拓撲很難做到共存。這就相當於，你要製備出一種像『三項全能運動員』一樣的材料。」薛其坤說。

基於這些要求，薛其坤團隊與王亞愚團隊、呂力團隊合作，實驗驗證篩選了一系列磁性拓撲絕緣體。磁性拓撲絕緣體是一類獨特的材料，它們在內部是絕緣的，但在表面或邊緣展現出導電性，且這種導電性不受雜質或缺陷的影響，正契合產生量子反常霍爾效應的要求。

「在這項研究上，我們投入了四年多時間，製備了一千多種樣品，參與項目的學生就有二十多個人。」在一步步嘗試與優化後，2012年12月，薛其坤團隊終於在一種磁性拓撲絕緣體，Cr摻雜的(Bi,Sb)₂Te₃薄膜上觀測到了完美的量子化平台。這一成果標誌着首次在零磁場條件下觀察到了量子化的霍爾電阻，量子反常霍爾效應被發現了。

2013年3月，這一突破性成果發表在了《科學》雜誌上，引起了國際物理學界的廣泛關注。諾貝爾物理學獎得主楊振寧教授高度評價這一成果為「第一次從中國實驗室裏發表的諾貝爾獎級的物理學論文」。

當然，量子反常霍爾效應還有許多值得進一步研究。互動環節，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，國內外高校在這方面都做出了新的成果、突破，並鼓勵年輕人「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的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。

「從年輕就要培養卓越的學術品味」

量子反常霍爾效應的發現為薛其坤帶來了諸多讚譽，但他的工作目標並不止步於此。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，「上世紀八十年代開始，液氮溫區超導問題就進入了學界的視野，但其原理是什麼，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。2021年，我們就在這個方向發表了一篇重要的論文。」

談到支撐自己多年科研求索的內生動力，薛其坤總會提起自己從沂蒙山區走出的人生經歷。「小時候，在沂蒙山區經歷過的艱苦生活使我能經受得住『7-11』式工作模式的考驗。」他口中的「7-11」工作模式，就是每天12小時以上、每月26天以上、每年330天以上的高強度學術工作。堅持了三十年，這份異於常人的吃苦耐勞給他帶來了豐厚回報。

「孟子曰：孔子登東山而小魯，登泰山而小天下。」薛其坤以登山為喻，闡釋心中的科研精神，「自然界的表現形式千奇百怪，難以捉摸。做科學也就像登山，只有勇於挑戰高峰，才能認識自然、改造自然。我們應該滿懷豪情，用無限的想像力和嚴謹的科學態度，登上科技之峰。」

作為南方科技大學校長，薛其坤同時強調人才培養的重要性：「除了自己攀登的責任，我們也要為黨和人民培養出一批又一批的後輩登山者，回報自己的祖國。」

他寄語青年人要培養卓越的學術品味：「我認為楊振寧先生是學術品味與科學直覺的典範。他從很年輕的時候起，就大量閱讀了各種優秀的學術著作和論文，這為他後來所取得的成就打下了基礎。」為此，薛其坤給了三點建議：「首先是多讀文獻，每篇文獻都有可學之處。其次是多請教人，每個人也都有過人之處。最後是多聽報告，每個學術報告都有創新之處。只要勤奮努力，日積月累，就能有所收穫。」