量子“足球場”上的“前衛”
■致敬國家最高科學技術獎獲得者
他是凝聚態物理領域的著名科學家，取得了多項引領性的重要科學突破。他率領團隊首次實驗觀測到量子反常霍爾效應，在國際上產生重大學術影響；在異質結體系中發現界面增強的高溫超導電性，開啓了國際高溫超導領域的全新研究方向。
“一個人能走多遠？他的學術大廈能建成兩層樓、五十層樓還是數百層的樓？這很大程度取決於他基礎知識所築就的地基。”作爲首個獲得奧利弗·巴克利獎、菲列茲·倫敦獎的中國籍科學家，薛其坤兩次在諾貝爾論壇作特邀報告。
奧利弗·巴克利獎是國際凝聚態物理最高獎，菲列茲·倫敦獎是國際低溫物理最高獎，爲何薛其坤能獲得這兩項大獎？正是由於薛其坤帶隊在基礎研究領域，取得了量子反常霍爾效應和界面高溫超導等國際引領性重大科學突破。
6月24日，中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長薛其坤站上領獎臺，獲頒2023年度國家最高科學技術獎。
“國家的富強給科學家攀登科學高峰、衝擊世界科學問題，提供了強大支撐和良好條件。”薛其坤親身感受到，國家的改革開放等好政策，爲他和一大批科學家創造了實現夢想的機會。
憑科研“金剛鑽”勇闖“無人區”
如何讓一個運動員，同時擁有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧？在實驗發現量子反常霍爾效應的過程中，薛其坤團隊就遇到了類似難題，因爲他們要製備出磁性的、拓撲的、體絕緣的高質量材料。
這種材料將成爲勇攀凝聚態物理科研高峰的“登山杖”。從20世紀80年代初開始，一系列量子霍爾效應的發現，開啓了拓撲量子物態這一新研究領域，爲發展低能耗電子器件指明瞭新方向。然而20多年來，人們一直沒能在真實材料中，實驗發現量子反常霍爾效應。
面對衆多挑戰，薛其坤在2002年，帶隊將分子束外延、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜等多種互補的精密實驗手段，創新地互聯成一個超高真空系統。該系統在量子材料原子尺度可控制備和表徵方面，提供了國際通用的強大實驗技術，現已被國際上近百家研究組採用。
“物理學科發展至今，已很難在理論層面取得重大突破。”薛其坤認爲，在科研競爭中，要想跑贏很多更聰明、更勤奮的同行，搶先攬下實驗層面的“瓷器活”，需要潛心打好科學研究儀器這把“金剛鑽”。
清華大學物理系副教授馮硝曾是薛其坤的博士生，在參與高溫量子反常霍爾效應課題攻關時，她將脈衝激光沉積技術與分子束外延設備結合，擴展了可探索的材料體系。
憑藉超分子束外延—掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜超高真空聯合系統這把“金剛鑽”，薛其坤團隊可在原子尺度上精確控制薄膜生長，還能觀測薄膜的生長形貌、缺陷和電子結構等。他們做出了高質量拓撲絕緣體薄膜。從2009年起，薛其坤團隊與清華大學、中國科學院物理研究所、斯坦福大學的專家，強強聯合，對量子反常霍爾效應進行艱難的實驗攻關。
團隊20多位研究生努力4年多，製備出1000多個樣品。歷經無數次失敗、改進、創新，2012年底，薛其坤團隊在世界上首次於實驗中觀測到了量子反常霍爾效應。
這是當時已知的量子霍爾效應家族成員中，最後一個被實驗發現的，也是唯一一個在中國發現的。這一研究成果有可能爲未來信息技術革命開闢新賽道。如將量子反常霍爾態和超導態結合，所獲得的量子態，可解決量子計算研究中的關鍵問題，有可能使科幻電影中的超高算力計算機成爲現實。
努力用一個突破點打開物理世界的“新天地”
薛其坤在年輕時喜歡踢足球。在他看來，踢足球和做物理學研究一樣，都需要有全局思維，找到戰略突破點。
“要解決物理學的重大科學問題，就需要了解物理學的過去、現在和未來，在洞察整體形勢以及自身研究優勢後，才能把好方向、精準出擊。”薛其坤將界面高溫超導、量子反常霍爾效應等，作爲團隊持續多年的主攻方向。
自1986年發現銅氧化物高溫超導體以來，人們還沒發現常壓下超導轉變溫度在液氮溫區附近的新超導體系。按以往的理論和實驗，當超導材料變得很薄時，其超導轉變溫度一般會顯著降低。尋找高溫超導新材料，探求高溫超導機理，是整個物理學界最關注的問題之一，科學價值極大。
2008年，薛其坤帶隊利用異質結界面，設計高溫超導體系。經過持續攻關，2012年，薛其坤團隊在鈦酸鍶襯底上外延生長的單層硒化鐵薄膜中，發現了界面增強的高溫超導電性。這是1986年人類發現銅氧化物以來，在常壓下超導轉變溫度最高的超導體，也爲解決高溫超導機理開闢了全新途徑，引起國內外大量追蹤研究。
爲何能帶隊屢獲重大科研突破？“作爲團隊帶頭人，要在戰略上做好規劃，選準基礎研究的方向、重點。”薛其坤將海量閱讀、獨立思考、廣泛交流，作爲科研人員提升判斷能力的訣竅。
“我們一線科研人員基本每天都要看最新的科學文獻等，我就要求學生認真翻閱文獻，看完之後不但要理解作者做了什麼、得到了什麼結果，還要反覆思考，給自己多提幾個問題，例如這篇文獻給我最大的啓示是什麼？”在薛其坤看來，看一篇文獻可能只需兩小時，但可能要花兩三天才能問出一個好問題。這有利於引導學生獨立思考，有效提高科研判斷能力。
通過讓學生做月度工作報告、課題進展報告等，薛其坤經常引導學生從分析數據等日常實驗中跳出來，從更高遠的角度，去深入思考所攻關的科學問題。
將培養的人才作爲最重要的科研成果
薛其坤曾把自己比爲一條從沂蒙山區駛出的小船，“父母給了小船生命。小船有毛病了，導師幫他修修；方向不對了，導師給指導指導。我的學生賦予了小船更青春的生命……”
三位導師對薛其坤影響很大。讀研時，中國導師陸華教授教會他遵循基本規則；留學時，日本導師櫻井利夫教會他精益求精，美國導師David Aspnes引導他提升科學判斷力。
當成爲師者，薛其坤非常看重學生的學習興趣和與人溝通的能力。在教導學生時，他多次強調，“要勤奮、認真、團結”。
“薛老師常說，單打獨鬥難以完成重大科學問題，需要不同技術、領域的人合作，這樣研究成功的可能性就會更大。他就特別擅長把大家擰成一股繩。”馮硝也努力將薛其坤的教導，傳遞給自己的研究生們。
薛其坤培養了120多名博士生、博士後，並帶着他們一起追求極致。他帶領的團隊成員或培養的學生中，已有一人入選中國科學院院士，30餘人次入選國家級人才計劃。薛其坤常把這視作他個人最成功的一點。
而科教融匯幫薛其坤及其學生練就了較強的科研能力。薛其坤認爲，研究型大學也應加強科學技術研究，併發揮好自身“五育”並舉的強項，培育更多創新人才。
薛其坤領導建設了低維量子物理國家重點實驗室，這是清華大學理科第一個國家重點實驗室。擔任南科大校長後，他提出一流新型研究型大學發展的“三三五”方略，帶領學校成功入選“雙一流”。
“新型研究型大學最基本的特點，就是將科學研究和課堂教學融爲一體。”薛其坤錶示，南科大全力構建科研能力突出的教師團隊，強化科教融匯，力求爲國家高水平科技自立自強培育更多拔尖創新人才。
發掘和培養拔尖創新人才是項系統工程，高等教育難以獨立完成。“如果很多中小學校還將分數作爲培養、評判人才的唯一標準，應試教育的學科培訓、學科競賽等仍大行其道，就會扼殺很多好苗子。”薛其坤強調，沒有高質輕負的基礎教育，就難以營造好拔尖創新人才紛紛破土而出的生態。
薛其坤通過開講座、擔任榮譽班主任等方式，參與“高中—高校貫通式人才培養模式”，並呼籲更多學校開展類似探索，“中小學校、幼兒園要在孩子們心中播下熱愛科學的種子，守護好孩子們靈動的天性、好奇的眼睛、創新的熱情和求知的初心”。
薛其坤最喜歡杜甫的《望嶽》，他時常用這首詩勉勵自己和學生，“如果用‘蕩胸生曾雲’的胸懷與境界去做科學研究，用‘決眥入歸鳥’的專注和洞察力抓住事物本質，付出艱苦的努力和奮鬥，總有一天你會登上更高的科學高峰，‘會當凌絕頂，一覽衆山小’”。
《中國教育報》2024年06月25日第3版
作者：本報記者 劉盾