奇迹为什么出现在中国

——记首次在实验上发现量子反常霍尔效应的中国科学家团队

来源:光明日报 2013-4-12 丰捷 齐芳 邓晖

编者按

  用科技托举中国梦,中国科学家团队用实干为我们树立了实现梦想的榜样。

  一则深奥的科技新闻近来备受瞩目——中国科学家首次从实验上观测到量子反常霍尔效应。3月16日,本报率先对这一激动人心的重要成果给予充分报道:一版刊发题为《我科学家首次在实验上发现量子反常霍尔效应》消息,并在教科新闻版头条配发解读文章《或将引爆信息技术新革命》。昨日,本报在大视野版头条刊登《“这是一个诺奖级的发现”》一文,对科研过程进行深入报道。  

  我们的采访还在继续。因为,挖掘背后的故事,探究成功的经验,我们越发感到,中国科学家,他们是一群有理想,有韧劲,执著、奋进,甘于奉献的“追梦者”,实现中国梦,就需要这样的群体。

  今天,请您与我们一起走近这群“追梦者”,一同找寻“奇迹为什么出现在中国”的答案。

  全世界都在这个领域竞争,中国人先拔头筹。

  “早在2008年,我们就预言了在有磁性掺杂后会出现量子反常霍尔效应。此后,谁能够在实验上证实它的存在,引起了一场世界范围的角逐。”斯坦福大学教授、清华大学“千人计划”教授张首晟谈及中国科学家的胜利,至今仍兴奋不已。

  2013年3月15日,美国《科学》(Science)杂志在线刊发了清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队的最新成果——从实验上首次发现量子反常霍尔效应。

  “这很可能引发信息技术的一次革命”,“中国科学家为国家争夺了一个战略制高点”。张首晟这样评价。

  对中国科学家来说,这真是一个追逐梦想、缔造奇迹的过程。而当梦想变为现实,我们想要探究的是,为什么这个奇迹发生在中国?

一个坚韧不拔的火车头,一个志存高远的领航者

  时间定格在2012年10月15日。

  10000欧姆,20000欧姆,……25800欧姆!数据不停地跳动,终于停在了这个令人神往的地方——一个在物理学家眼中“最美妙的时刻”到来了。这一刻,中国科学界为之振奋,这一刻,也将载入世界物理学史册——在美国物理学家霍尔于1880年发现量子反常霍尔效应133年后,人类终于实现了其量子化。

  这是四年,1460多个日日夜夜的浓缩。薛其坤与他的团队以每一个“7-11”向着目标冲刺。“这么多年,其坤只要在学校,每天总是7点准时到实验室,最早晚上11点离开。”清华大学物理系教授朱邦芬院士以形象的“7-11”为薛其坤冠名。

  是什么支撑薛其坤和他的整个团队如此爱恋实验室?是对科学前沿的探求精神,还有实现梦想的坚定意志。

  追寻量子反常霍尔效应的征程上,薛其坤把一股子勤奋研究的“拼命劲”发挥得淋漓尽致。朱邦芬曾这样感叹:“他有着远超出普通人的旺盛精力,我有一次和其坤出差,飞机到北京已经快晚上12点了,他还要到实验室去看学生在做什么,有没有新的发现。”

  科学研究没有坦途。刚开始的时候,由于不熟悉材料性能,课题组遭遇了长达1年多的平台期,反常霍尔效应的数值始终在极低值徘徊。“还有希望吗?”许多博士生觉得干不下去了。“我们现在从事的实验工作是非常重要的,你们很可能发现到目前为止还从没有人看到过的东西。要是看到了,这一辈子都值了;要是看不到,你们也能从中历练、成长很多。”关键时刻,一场让课题组成员“浑身发热、干劲十足”的讲话振奋了士气,薛其坤当仁不让地扮演了领航者的角色。清华大学物理系教授王亚愚不无感慨地说:“团队领头人的作用至关重要,他们往往会在关键时刻起到不可替代的作用。”

  对科学的坚持与激情,还有薛其坤深厚的学术积淀和对于学科前沿敏锐的洞察力,直接引导着整个团队的精神,让“乐观向上”成为他们的独特气质,也让“攻关却不急躁”成为四年间团队成员始终恪守的信条。

  难有的平和气质,让实验中负责量子反常霍尔效应测量的王亚愚收到第一封拒稿信时选择了“淡然处之”,“第一反应会有些沮丧,因为别的小组进展都很快。但薛老师和我们都很清楚,科学研究从来都急不得,特别是面对这样一个艰深的科学难题,更要沉得住气,要有耐心。最终,2013年3月,我们连续在美国顶尖杂志《科学》上发表了两篇重量文章,最终国际同行还是高度认可了我们的研究工作。”

协同创新,一个年轻团队的激情迸发

  “之所以能这么快取得成功,很大程度上源于我们拥有一个协同创新、配合默契的攻关团队,有两位非常突出的年轻学术带头人。”薛其坤说。

  而这份默契,也经历过最初的磨合。

  实验中,负责测量工作的王亚愚和负责样品生长工作的中科院物理所副研究员何珂刚一开始其实“并不合拍”。“我们两个研究组在思维、习惯和科研方式上都有很大不同。亚愚习惯在掌握一批样品后进行系统性测量,而对于我们来说,在超高真空的环境下每生长出一个样品需要一到两天的时间,我们希望生长一个马上进行详尽的测量。”回想起第一次合作时,王亚愚一下子要5个样品的“狮子大开口”,何珂笑言“确实有些吃不消”,“一开始的磨合很痛苦。但当双方都习惯了彼此的工作方式,能作出主动协调时,思维碰撞的火花越来越多了。”

  “一个顶尖的团队需要各个领域的顶尖人才,但如何让他们发挥出1+1﹥2的效果,才是一个团队成功的关键。”王亚愚说。中科院物理所研究员戴希也非常感慨:“这项研究的参与者有三四十人,整个团队就像一条串联电路,我们这些‘电阻’,虽然个头有大有小,但每个人身上通过的电流都是一样的。拿走任何一个‘电阻’,电路都不会通。如果没有这么好的合作模式和流程,很难想象我们会做成这件事。”

  这个攻关世界课题的中国科学家团队,平均年龄只有30多岁,先后有20多名研究生参与其中,“我们和学生在一起,并不完全是指导和被指导的关系,而更像是一种合作,在这个过程中我们共同成长。”王亚愚说,“导师可能有更多的经验,在技术方面、物理方面给学生指导,当实验碰到挫折时对未来的方向有更好的判断;可以发掘学生不同的特长,有的学生胆子大、有的心细、有的手巧,给他们最适合的工作;尽管我们有比学生更丰富的工作经验,但面对这么难、这么有挑战性、不确定性这么大的科学难题,对年轻导师也是第一次,是我们和学生在一起不断探索,加深理解。”

  何珂说,材料制备与其说是科学,不如说是艺术。同样一个材料,换台机器、换个人就可能做不出来,极其考验人的实验技术水平与耐心。这次何珂也遇到了让他几近绝望的事。薛其坤院士要求他们制备厚度仅为5纳米的薄膜,同时还要往里掺杂磁性材料,薄膜必须非常平整,凹一纳米或凸一纳米都不行。

  “有半年时间,我们一点进展都没有,似乎已经把能用的手段都用完了。”何珂回忆,后来一个学生偶然间把盖住薄膜的覆盖层拿了下来,竟发现数据信号大大增强了,可谓柳暗花明。

  “这个覆盖层是将薄膜与大气隔离的,大家做实验都用这个。”这让何珂领悟到,思维没有盲区,做科学研究,不能迷信任何理论和经验,除了要持之以恒外,跳出思维惯式也至关重要。

好的科研环境,让科学研究自由生长

  总结自己与团队的成功,薛其坤列出了三条:一、大家在各自领域的长期积累;二、协同创新,紧密合作;三、不急不躁,能坐得住“冷板凳”。

  薛其坤同时对近年来的国内科研环境大加肯定,他说,经济社会发展,让国家越来越重视基础科学研究,连续多年对基础科学领域的投入都是大幅度增长。“相反美日等国却在不断缩减,这对我们搞基础研究的人来说,是一个很大的鼓舞。另一方面,国家的对外开放和人才政策使一批拥有海外学术背景的科学家回到祖国,他们亲身经历过西方学术界‘良好的科研氛围’,能把这些好的东西带回来,会让研究少走不少弯路。”

  让王亚愚感到欣慰的是一个自由的科研空间,“国家和各方单位给了我们很大的自由度,为我们创造了宽松的科研环境。当初申请经费时我们并没有想做量子反常霍尔效应这个难题,可后来发现这非常值得做,也有希望做成时,不需要任何请示、汇报或重新填写计划,我们可以根据项目进度自主调整研究计划。这对任何国家的科学研究来说都非常重要,因为每一个新的发现,是不可能提前预料到的,往往会有一个灵光一现的过程。”

  而在朱邦芬看来,这里有最勤奋的团队,和团结协作的气氛。何珂就曾开玩笑说,幸亏两个兄弟单位离得近,“我们生长出样品后,送到清华去测霍尔电阻,然后再拿回来改进,一天跑几个来回很正常。”这样的“折返跑”,3年里重复了无数次。据粗略估计,仅是制备掺杂磁性的拓扑绝缘体材料,他们就做了1000多次,若加上其他相关实验,数量还要多得多。

  杨振宁先生把他们的这种“和谐”归结为中国文化的力量。他说,这与中国传统文化中强调“团队”有很大关系。“中国文化跟西方文化的主要分别就是团队在先,还是个人在先。在中国文化传统里常常认为团队在先,个人在后。强调个人有它的好处,可是中国的精神也有它的好处,你如果仔细想一想,为什么两弹一星能在那么穷苦的状态下做出来?为什么能作出人工胰岛素合成这样的诺贝尔奖级的贡献?”团队协同合作,或许就是最好的答案。

  如今,这个源自中国科学家自己实验室里的伟大发现也获得了来自国际同行的高度评价——

  实验结果公布后,薛其坤曾应邀去日本作学术报告。作为在世界上和中国科学家研究水平最相近的“老对手”,日本科学家给他发来了邮件,称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告,我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”,“这非常非常令人激动”。

  另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件,“看到你们的结果,我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来,这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止”。

  美国《科学》杂志的匿名评审则给出了这样的评价,“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻,这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”

  半个多世纪以来,在半导体技术和信息技术上,中国基本跟在发达国家后面。“这个突破,不仅给整个科学界带来一次机会,也是中国一次非常难得的机会。”张首晟说,“我们完全可以跳跃式地走到前面,我们一定要抓住下一代信息技术革命的战略制高点!”

  而就在记者截稿前,这个本该享受成功、短暂休息的深夜,薛其坤与他的团队成员还在实验室里坚守,因为,实现梦想的征途刚刚开始,“前面的路还长着呢……”

2013年04月12日 16:24:48  清华新闻网

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