量子反常霍尔效应：诺奖级发现出在中国实验室
在新闻发布会上，薛启昆
尽管“桂”是清华大学物理系的负责人，但直到上周，薛启昆在清华校园里还不是一个有吸引力的角色。不止一个见过他的人说，他很难理解中国科学院院士和其他人随便提到的科学研究内容。
事实上，他即将开始一个新时代。4月9日，由清华大学、中国科学院物理研究所和斯坦福大学的科学家组成的教授团队宣布，他们已经从实验中观察到了量子反常霍尔效应。他们的论文于3月15日发表在国际权威学术杂志《科学》上。
对普通人来说，“量子反常霍尔效应”不仅仅是一个让人们困惑的科学术语，它还意味着科幻小说般的未来生活:如果这一发现能够付诸实施，超级计算机将有可能成为iPad大小的手持笔记本电脑，智能手机的内存可能会超过目前最先进产品的数千倍，而且除了长时间待机之外，它们还将拥有当代人无法想象的速度。
这一发现甚至让90多岁的诺贝尔奖得主杨振宁兴奋不已:“这是中国实验室首次发表诺贝尔物理学奖论文。”
"那一刻，我们看到我们深刻的信念确实在自然界中实现了."
很少普通人知道“量子反常霍尔效应”是什么，但是美国物理学家霍尔在1879年发现的“霍尔效应”实际上已经应用到普通人生活的各个方面:测量磁场、测量运动事故，以及生产新的设备，如汽车里程表、速度计和点火系统。
这一次，薛其昆团队的最新发现在科学家眼中更加精彩。
清华大学物理系教授王在一个充满仪器设备的实验室里，试图用一种容易理解的方式向外界解释他们的研究。他手里拿着的笔记本电脑屏幕上有一个动画:在一个透明的长方体里，许多粉红色的小粒子在乱窜。
“如果这是一种普通的金属材料或半导体材料，里面的电子运动是非常无序的。它们是混乱的，相互碰撞。这将导致电子设备速度的降低和能耗的增加。”
虽然肉眼看不到这些运行的电子，但每个人都会感觉到它们在生活中的存在。例如，尽管风扇发出“呼啦呼啦”的声音，长时间工作的笔记本电脑仍然像爬山的老牛一样反应迟钝。
然而，这些粒子可以由科学家“管理”，并按照一定的规则在材料中直线运行。
“如果我们给材料加上一个强磁场，一个非常强的磁场，电子的运动就会变得有规律——它们在材料的两端向相反的方向运动，就像高速公路上的汽车，然后电子的速度就会变得更快。”王教授解释道。
在动画中，小的粉色粒子顺从地排列在材料的两边，一个队伍向前跑，另一个队伍向后跑，就像在高速公路上遵守交通规则的交通车辆，在不同的车道上平稳地行驶。
20世纪80年代，这种量子霍尔效应是德国物理学家冯·克利钦在极低温度和强磁场下研究半导体时偶然发现的。这一成就为他赢得了1985年诺贝尔物理学奖。
然而，为了让肉眼看不见的电子像动画中那样有规律地运动，需要一个非常强的磁场:至少一个冰箱大小的装置和一个人高。手术非常麻烦，而且非常昂贵。
显然，这不是一个可以走出实验室的“冷却和加速装置”。
这就是为什么薛奇坤的团队在实验中观察到的量子反常霍尔效应如此重要和美丽:在零磁场中，材料的反常霍尔电阻达到了量子电阻的值，形成了一个平台，也就是说，在微观世界中，原本湍急和碰撞的电子沿着“高速公路”平稳有序地运动。这一次，没有强磁场。
这一场景证实了科学界已经等待多年的预测。
一位美国科学家在《科学》杂志上写道:“这是量子霍尔家族的最后一名成员。”。“在没有外部磁场的情况下对量子霍尔态的实验观察最终使人们能够充分研究三重量子霍尔效应。”
当得知这个结果时，薛奇坤的合作者、斯坦福大学教授张首晟想起了他的老师杨振宁对他们说过的话:任何科学发现都已经存在于自然界中。
“在发现的那一刻，我们看到我们深刻的信念确实在大自然中实现了。这种感觉是对科学家的最大回报。”
那是2012年10月12日，也就是霍尔首次发现这种电磁效应的130多年后，也就是薛奇坤的团队开始实验的四年后。
“吃，睡，做研究。”
在同行中，薛其昆，一位发表了300多篇SCI论文的材料物理学家，以他的努力工作而闻名。他有一个“比院士更大的名字”，被称为“7-11”:他早上7点在实验室工作到晚上11点。在四年的实验中，他的团队已经尝试了1000多个拓扑绝缘体样本。
磁拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的理想系统。为了实现量子反常效应，对材料的要求非常高:这种材料必须具有拓扑特征，具有长程铁磁有序性，并且在体内必须处于绝缘状态。根据科学家的解释，这就像要求一个人具备刘翔的速度、姚明的身高和郭晶晶的灵巧。
在薛其坤的指导下，研究人员用于实验的拓扑绝缘体样品是基于“原子”的:100万个原子中只能有一个杂质原子。超过1000种小于缩略图大小的特殊实验材料需要在超真空环境中缓慢生长。它们必须有5纳米厚，甚至不能有1纳米高或1纳米低。
分散在世界各地的实验小组成员每天通过电话和邮件交流实验结果，并且每两三周充分讨论实验的所有细节。然而，在很长一段时间里，他们没有得到任何有意义的结果。负责测量反常霍尔效应的王教授称，他们“见到薛先生并不尴尬”。
不过，组长薛启坤还是能够忍受他的脾气。他是一个过着艰苦生活的人。当我还是个孩子的时候，我的母亲得到了一块珍贵的牛肉，并且不愿意吃它。她不得不等到上学的孩子们回家，然后慢慢地把牛肉干浸入水中，包饺子吃。
许多年后，这位来自沂蒙山区的农村孩子仍然记得他年轻时第一次进入县城时，他是多么震惊于这里的繁荣。他在家乡向记者描述说，他的心情就像临沂人的一句谚语:“蒙阴就像北京，一个大地方。”
当时，这个年轻人的“最高理想”是在蒙阴县“找份工作，娶个媳妇”。这种理想生活至少有一半实现了，薛其昆的确娶了一个蒙古媳妇。
他人生的另一半可能超出了他最初的预期:在日本和美国学习，35岁晋升为教授，41岁成为中国科学院最年轻的院士之一。“我没想到我会成为科学家...我只想做点什么，用心做点什么。”
在确认“量子反常霍尔效应”的结果发布后，一些网民在微博上哀叹“薛奇坤”这个名字:这个人去学校讲课，没人听，还被拖去补课——近年来，薛奇坤在复旦大学、山东大学、湖南大学等多所大学做了“个人成长经历”的报道。
另一个人的简历看起来似乎一帆风顺，但在双方的心中却有另一种味道:大学毕业后，他想一次又一次地参加研究生入学考试，而他第一次参加哈尔滨工业大学，他的高等数学仅得了39分，考试不及格。两年后，他向中国科学院物理研究所报告。他在物理考试中得了39分，但又失败了。
第三年，他终于考上了中国科学院物理研究所。然而，在接下来的几年里，这位年长的研究生“整天都处于维护仪器的苦恼状态”在那些日子里，物理研究所的设备不是很好，而且经常不可能做实验。即使我们一次又一次地做实验，我们得到的数据总是错误的。
直到他被送到日本东北大学，在没有任何日本基础的情况下接受联合训练，他的生活才逐渐顺利。正是在他的日本导师丽芙·樱井的要求下，他养成了“7-11”工作习惯。后来，他被樱井先生推荐为美国北卡罗来纳州立大学的博士后研究员。这个老人很有个性。每次他去实验室吃晚饭，他总是在60多岁的时候骑摩托车，带上一个学生，沿着高速公路快速行驶。
现在，当薛其坤成为整个研究团队的核心人物时，他也非常善于发现每个人的优势，激励整个团队。
留学经历也磨练了薛其坤的“流利的山东口音英语”:“我没有什么能力，别人不敢在台上说话，我不敢说话！”
与薛其昆有过接触的人都说这位科学家幽默而充满活力。他喜欢踢足球和看武侠小说。在他早年的生活中，在走廊里打麻将是一种愉快的消遣。然而，他的研究生们提到，导师每次出差后回到北京的第一件事就是去实验室看看有没有新的发现，即使已经是晚上12点了。
在就任清华教授后的一次采访中，他告诉记者，他的团队来自世界各地，有着共同的抱负。认识对方的人问他:你的团队成员有共同的兴趣吗？
思考了一会儿后，组长说:吃，睡，做研究。
上周，杨振宁在“确认量子反常霍尔效应”会议上补充了这组中国学者的新发现。有一件事值得思考:世界上许多实验室都在研究量子反常霍尔效应实验。为什么只有清华大学与物理研究所的合作是成功的？“我认为这与中国整个科学研究体系以及中国的传统人际关系有着非常密切和直接的关系。”
"这可能是我们一生中最快乐的一天。"
2012年10月12日晚10点35分，薛其昆收到了团队成员、博士生常翠祖的短信:“薛老师，量子反常霍尔效应已经出来，等待详细测量。”
实验测得的数据是一条美丽的曲线，与理想条件下量子反常霍尔效应的行为完全一致。
团队成员观察到的现象是通过在接近绝对零度的极低温度下精确测量拓扑绝缘体薄膜而获得的。换句话说，现在谈论这种现象在生活中的实际应用还为时过早。毕竟，室温比实验温度高得多。《科学》杂志的一篇文章也指出，实验材料在其他方面都不令人满意。
但是对于努力工作多年的科学家来说，这个结果已经足够令人惊讶了。"这可能是我们一生中最快乐的一天。"张首晟后来在新闻发布会上说。听着学生的报告，杨振宁还记得1956年12月的一天，吴健雄在电话中告诉他，她发现宇称不守恒。
“我认为这是我第一次在中国实验室发表诺贝尔物理学奖级别的论文...这也是整个国家发展的一大乐事。”他一遍又一遍地告诉不同的媒体。
这篇论文发表后，清华大学的一名学生回忆起，在以前的一次“文化素质教育讲座”中，有一个学生问薛院士:“你想为中国获得诺贝尔奖吗？”
“我还没想过。”静静地想了一会儿后，他给出了这样一个答案。
“我不认为不想获得诺贝尔奖的科学家是好科学家。”学生们态度坚决。
然而，薛其昆并没有这样的想法:“我在做科学研究的时候没有考虑这个问题”。(原标题:中国实验室发现诺贝尔奖)