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云史长安战未央关注
2023-11-11 22:27
来自重庆
如果说当代科学家里最励志的应该要属薛其坤了，从一个放牛娃，到如今世界著名的大物理学家，薛其坤用自己的努力书写了人生的传奇。
出身寒门，2次考研失败
1963年，薛其坤出生在山东省沂蒙山区的一个小村庄，家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时，农村条件还相对落后，父母为了生机起早贪黑，而薛其坤从小就帮父母放牛。薛其坤也因为自己的童年经常自称自己为来自“沂蒙山区的放牛娃“。
在那个年代，尤其是在农村里，薛其坤的父母虽然并没有严格督促薛其坤学习，但是也没有让他放弃学业。
1977年薛其坤考入了蒙阴县第一中学 ，那个时候恢复高考的消息传来，薛其坤的中学老师对全班同学说了一句：“同学们，高考恢复了，好好学习就有希望考上大学，接受高等教育。”
薛其坤也大受鼓舞，定下理想——走出大山，读大学。不过薛其坤一开始并没有想要做一名物理学家，他因为物理成绩考得好，所以老师给薛其坤推荐了几个系，薛其坤就直接照着填，其中就包括山东大学光学系。
后来薛其坤被山东大学光学系录取，薛其坤就糊里糊涂地上了大学，他当时都不知道这个专业是学什么的，以后从事什么工作。
在山东大学第二年，薛其坤看到学校的报栏上贴着一些招生宣传资料，心里觉着“研究生”这个词很神圣。薛其坤心想说不定当了研究生也许就能做研究人员、做科学家。所以薛其坤就开始准备考研。
1984年大学毕业以后，薛其坤第一次考研失败，高等数学只考了39分，他被分配到曲阜师范大学物理系教书。1986年再次考研，再次失败，大学物理只得了39分。
连续两次落榜，对他的心理打击非常大，周围人也劝他别固执，认为他不是一块读书的料，薛其坤却并没有踌躇和犹豫，还是选择继续考研，终于在1987年考入了中国科学院大学物理研究所凝聚态物理专业，进行研究生学习。
在读研期间，薛其坤还是没有拿出亮眼的成绩，硕士加博士，从87年一直到94年，薛其坤整整读了7年才毕业。一般读研都是五年、六年毕业，美国是六年到七年。薛其坤读了7年才毕业，真的堪称实实在在的“学渣”。
努力钻研，41岁就成院士
1992年，薛其坤作为中日联合培养学生，来到日本东北大学金属材料研究所学习，樱井利夫治学以严格著称。这位导师要求薛其坤一周工作 6 天，7 点来实验室，11 点之前不许离开。不管刮风下雨，必须准时到达。
薛其坤在日本还要忍受不懂日语的精神折磨。由于听不懂导师的指令，他经常受到导师严厉批评。导致导师和同学们一起做实验时，他不敢碰仪器，只在一边怔怔地看。
语言不通，没有朋友，家人隔海，一切好像要从头再来，这一切的一切都在折磨着薛其坤。
想念家人孩子的薛其坤将所有精力都倾注在了科研身上，薛其坤凭借扎实功底和超常付出，他取得了一个科研上的重要突破——是7-11实验室三十年来最大成果。
1996年，薛其坤被邀请在物理学规模最大的美国物理学会年会上做报告，但是糟糕的英语口语让他面临挑战而不知所措。为了保证万无一失，他把要讲的每个英语单词、每句话写下来，模拟练习了80多遍。不但纠正了发音，还把演讲进度控制在秒上，连每个单词做什么手势，他都练习到位。
你的基础不一定很扎实，你同班同学可能比你在这个方向上更优秀，每个人都有自己的短处，希望你用我练80多遍英语的体验和经验补齐短板，不断补齐自己的短板，一定会把自己的工作做好。
而1999年，他入选中科院“百人计划”，在祖国需要的时候，满腔热忱地回到中国工作，在中国科学院物理所工作，担任研究员、博士生导师，2004年，他负责参与的项目《原子尺度的薄膜/纳米结构生长动力学：理论和实验》获得了国家自然科学奖二等奖。
2005年，年仅41岁的薛其坤就当选了中科院院士。中国最年轻的院士是卢柯，37岁，2019年增选的院士，最年轻的是42岁。这样，你就能明白41岁当选中科院院士是多高的成就了。
50岁攻克百年物理难题
薛其坤最伟大的成就是发现了量子反常霍尔效应，这是改革开放以来中国第一次在实验室中发现的诺奖级成就。
1879 年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。
简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差。
霍尔效应的应用面十分广泛，这类器件根据其特点配合感应灵敏度较高的半导体器件,制成霍尔传感器、各类磁环及开关电路等器件,被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。在当今社会发展中有着至关重要的作用。
霍尔效应示意图，作者Peo
按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 应随B连续变化并随着n (载流子浓度)的增大而减小，但是到了 1980 年，著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。
冯·克里津的发现被称为整数量子霍尔效应，冯·克里津由此获得1985年诺贝尔物理学奖。
后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。
当时，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。
但是在1982年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了⅓和⅔两个平台。之后他们制造出了更纯的样品, 拥有更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG, 这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG 的量级). 这样的实验技术令人叹为观止，他们也因此观察到了更加丰富的结构。
量子霍尔效应示意图，来源：中国科普博览
而崔琦和史特莫因为发现了分数量子霍尔效应获得了 1998 年诺贝尔奖。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，斩获2010年的诺贝尔物理学奖。
不过因为霍尔效应实现量子化，有着两个极端苛刻的前提条件：一是需要十几万高斯的强磁场，而地球的磁场强度才不过0.5高斯；二是需要接近于绝对零度的温度。
在此背景下，科学家们又提出了一个设想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，那么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？如果有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？
也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。
我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。
然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。
这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。然而正是因为多年以来科学家都没有发现量子反常霍尔效应，所以量子反常霍尔现象也被称为物理学研究皇冠上的明珠。
2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。
德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。
从2009 年，薛其坤团队经过近5年的研究，薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，，薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否，还要看一个标志性实验数据——在零磁场中，能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。
“要观察到量子反常霍尔效应，就需要拓扑绝缘体材料既具备磁性又是绝缘体，要做到这一点，以单晶硅为例，这要求在一百万个硅原子中只能有一个杂质。”用薛其坤的话说，这可以说是一个“自相矛盾”的要求
他们生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。
北京时间2013年3月15日，《科学》（Science）杂志在线发文，宣布中国科学院薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现“量子反常霍尔效应”。
这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果，是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。
张首晟教授更是评价道：“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题，它发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”
因为霍尔效应的相关发现者都斩获了诺贝尔奖，因此薛其坤也被认为是最有机会获得诺贝尔奖的中国科学家。
2018，薛其坤获得了有中国诺贝尔之称的国家自然科学奖一等奖，是中国自然科学领域的最高奖项，旨在奖励那些在基础研究和应用基础研究领域，阐明自然现象、特征和规律，作出重大科学贡献的中国公民。由于该奖项的评选严格性，在历史上多次空缺，比如2010年、2011年和2012年。
而在此之后，薛其坤继续攀登科学高峰，2016年，他带领他的团队首次把分子束外延技术拓展到铁基超导材料的制备中，解决了材料制备的一个重要难题。在此基础上，他们还发现一类全新的低维高温超导体系——单层FeSe薄膜，其超导转变温度有超过77K的迹象。
如果最后得到证实，这将是自1986年发现铜酸盐陶瓷高温超导材料（1987年诺贝尔物理奖）以后第一个转变温度超过77K的高温超导体系。这将是整个物理学领域的一个重大突破。
从农村的放牛娃，两次考研失败，50岁却攻克百年物理难题，薛其坤用自己的努力书写了属于自己的传奇。
