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考研物理39分的他,斩获凝聚态物理最高奖!70年来首位中国籍

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梦晨 西风 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

中国科学院院士、南科大校长薛其坤斩获凝聚态物理最高奖项巴克利奖

这是该奖项自设立70年以来诞生的首位中国籍获奖者。

薛院士的获奖理由是“对反映其能带结构拓扑方面的材料集体电子特性进行了突破性的理论和实验研究”。

具体来说,他带领团队首次在拓扑绝缘体中观测到了量子反常霍尔效应。这是一种无需强磁场便可实现的无能量损耗的电子运动。

要知道,自1880年美国物理学家霍尔发现反常霍尔效应后的133年来,无人能在实验中独立观测到反常霍尔效应的量子化。



图源:清华大学官网

这项研究于2013年正式发表于Science,杨振宁曾评价该成果为“诺贝尔奖级别的发现”,学界称其为“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

薛院士也凭借这项发现,接连斩获有着“中国诺奖”之称的未来科学大奖、国家自然科学领域最高奖项国家自然科学一等奖、低温物理领域最高奖项菲列兹·伦敦奖等众多奖项。

然鹅,很多人不知道的是,即便是这样一位功勋赫赫的科学家也走过一段“学渣”的逆袭之路。

他曾考研3次才上了中科大,第一次数学考了39分,第二次物理考了39分;之后读博也读了7年的时间。

与很多“天才”不同,陪伴薛院士这一路的,是无数个“7-11”的日子(7点前进实验室,晚上11点才出来)。

薛院士的更多逆袭经历以及研究成果我们接着往下看。

“学渣”的逆袭

薛其坤1962年生人,老家在山东沂蒙山区,打懂事儿起他就有一个“走出大山”的目标。

那时生活条件艰苦,有时饭都吃不饱,薛其坤经常一边上学一边还要干农活。

寒窗苦读三年,他终于在自己的努力和全家人的支持下,考上了山东大学。

本科毕业后,薛其坤被分配到曲阜师范大学任教。但他的志向远不在此,真正的梦想是当一名科学家。

于是他边工作又着手准备考研,过程却并不顺利。

考研第一年数学仅考了39分;第二年自认为最擅长的物理掉了链子,竟也只考了39分。

当时薛其坤已成家,也有着比较体面的工作,身边亲人朋友都劝他要不就放弃吧,但他还是坚持要三战。

皇天不负有心人,第三年他终于考入了中国科学院物理研究所,学的是凝聚态物理专业。

考上了研究生薛其坤也没有多轻松,课题研究了好几年,却始终拿不出一个像样的数据写论文。

但好在最后还是拿到了硕士学位。为了梦想薛其坤又继续读博,一读就是7年。这当中,他还有一段前往日本东北大学学习的经历,这在他本人看来是“人生中最艰难的阶段”。

薛其坤当时的导师樱井利夫教授对学生们极为严格,要求实验室的每个人都要遵守“7-11”铁律,也就是早上7点前到实验室,晚上11点才能离开。

并且由于语言不通,薛其坤一开始听不懂导师的要求,没少受罚受批评。有一次导师就罚他在三天内把数万颗螺丝钉分类摆放整齐。在实验室中,薛其坤一直属于一个边缘人物。

直到一年半以后,他的研究取得了一项重大突破,这也是樱井利夫实验室近30年最具突破性的研究成果。

薛其坤这才终于获得了导师的认可,逆袭之路也就此打开。

1997年,薛其坤35岁,成为美国北卡罗莱纳州立大学访问助理教授,获得国家杰出青年基金,之后回国在中科院物理所工作。

2005年,薛其坤当选中国科学院院士,成为最年轻的院士之一,同年进入清华任教。

他也从“7-11”学生变成了“7-11”教授、“7-11”院士,学生们纷纷效仿,甚至比他更勤奋。

2013年薛其坤带队攻克了一项世界难题,就此迎来人生高光时刻。

这项研究成果也为薛其坤带来了这次的巴克利奖。

从霍尔效应到高温超导

这次巴克利奖,颁奖理由为“对反映其能带结构拓扑方面的材料集体电子特性进行了突破性的理论和实验研究。”



获奖成果更广为人知的名字是“量子反常霍尔效应”,提出了微观世界电子运动的新规律。

不仅已写入教科书,甚至在物理学史上都拥有一席之地。

霍尔效应早在1879年就被物理学家埃德温·霍尔(Edwin Hall)意外发现。

具体来说,是导体被施加垂直于电流方向的磁场时会在横向产生电压差。

这种效应和传统的电磁感应完全不同,利用霍尔效应制作的霍尔器件已广泛应用到半导体等领域。

量子霍尔效应的突破则要到100年后,发现当载流子被限制在一个二维平面内运动时,在一定的外加磁场下,霍尔电阻变成了精准的常数。

量子反常霍尔效应,则要再增加一个“没有外加磁场”的条件。

1988年,理论物理学家预言了这种状态能够存在,但在实验中真正观测到它成了世界级难题。

突破口出现在2006年,斯坦福教授张首晟领导的团队预言了一种有希望的材料“拓扑绝缘体”。

张与薛年龄相仿,学术上也一直保持交流。

2008年开始,薛其坤团队开始挑战量子反常霍尔效应的实验,用4年时间制备了上千种材料后终于在2012年成功。

2013年,团队的重磅成果发表在Science上。

在央视采访中,杨振宁评价这项研究为“量子反常霍尔效应是从中国实验室里第一次做出了诺贝尔奖级别的物理学成绩,不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事”。



薛期坤曾谈到,它的难不光是实验条件非常苛刻,也在目标不确定的攻关时间长达四年,能在三四年的时间坚持聚焦一个实验吗?

其实最初薛其坤团队的数据公布时,也曾遭到质疑。直到一年后,有其他团队复现出相同的实验结果才得到认可。

结果这项成果不仅被写入教科书,也带动了相关领域工作的关注和发展。

在薛其坤团队的成果之后,2018年复旦团队首次在三维空间中发现量子霍尔效应,2019年中科大、南科大团队首次实验验证三维量子霍尔效应。

2020年,北理工与国际合作团队首次在室温下观测到量子霍尔效应。

而在这期间,薛其坤的研究方向又多高温超导,而且挑战主流观点。

2012年,团队提出一种新的体系“界面高温超导”,与主流共识的各向异性对称相悖,提出在非常简单的体系中发现高温超导现象是各向同性对称的结果

在这之后多年时间,团队与当年一样,又制备了上千个实验材料“具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结”。

终于在2021年发表新研究,提出铜氧化物高温超导的对称性是球形状态

薛其坤目前担任南方科技大学校长一职,除了继续科研攻关之外,也积极推动一些“大学Plus的尝试”。

让更多教授们专注于0到1的突破,并致力于通过获得政府和周边地区的支持,推动一些具有从0到1突破意义的科研成果转化、落地。”

关于这一点,他经常举的例子是大家都在用的手机触摸屏。

电阻电容的原理在几百年前已有发现,但直到近几年才用到手机的触摸屏上,给人们的生活带来了阶段性的改变。

而揭开高温超导的谜底,设计出高温超导材料从而对全人类做出贡献,是薛其坤最大的期待。

参考链接:
[1]https://aps.org/programs/honors/prizes/prizerecipient.cfm?last_nm=Xue&first_nm=Qikun&year=2024

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