薛其坤，发现量子反常霍尔效应的物理学家

深圳的科学家故事

薛其坤是南方科技大学校长，北京量子信息科学研究院院长，理学博士，教授，中国科学院院士，中国物理学会副理事长，美国物理学会会士。他的主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理学、自旋电子学、拓扑量子物理和高温超导电性；曾获国家自然科学奖一等奖 1 项，国家自然科学奖二等奖 2 项，还曾获第三世界科学院物理奖、陈嘉庚数理科学奖、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖 物质科学奖、菲列兹 ·伦敦奖、全国创新争先奖章等奖励，并成为首次获得巴克利奖的中国籍物理学家；“国家高层次人才特殊支持计划” 杰出人才；是国际著名期刊《表面科学报告》（Surface Science Reports）、《纳米快报》（Nano Letters）、《应用物理快报》（Applied Physics Letters）、《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics） 和《美国物理联合会进展》（AIP Advances）等的编委，《国家科学评论》（ National Science Review）副主编和《表面评论与快报》（Surface Review and Letters）主编。

在凝聚态物理领域，量子霍尔效应研究是一个非常重要的研究方向。

在 130 多年的研究历史中，这个研究方向的科学家曾经获得了 4 个诺贝尔物理学奖，获奖的科学成果都是需要磁场的量子霍尔效应。但是，量子反常霍尔效应是唯一一个不需要磁场的量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。这使得在零磁场的条件下应用量子霍尔效应成为可能。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。

1988 年，美国物理学家提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应。这很可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。从此，全世界最顶尖的研究组都在努力攻克这个难题，不断有物理学家提出各种方案，但是在实验上却没有取得任何进展。2013 年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中国科学院物理研究所的研究人员组成的实验团队在实验中首次观测到量子反常霍尔效应。杨振宁先生称此为“中国本土实验室里出现的首个诺贝尔奖级别的实验”。

薛其坤院士由于这个重大发现而被授予 2020 年度的菲列兹·伦敦奖。

菲列兹·伦敦奖是国际纯粹物理和应用物理联合会（ International Union of Pure and Applied Physics，IUPAP）为纪念著名物理学家——菲列兹·伦敦而设立的，旨在奖励在低温物理领域做出杰出贡献的科学家。

薛其坤是自 1957 年该奖设立以来，首个来自中国、第二个来自亚洲地区荣获此奖的科学家。

在众多成绩斐然的科学家中，薛其坤院士算得上是大器晚成的一个。

薛其坤在 32 岁时才拿到中国科学院物理研究所的理学博士学位。在此之前，他经历了漫长曲折的求学生涯。这个过程成为他坚强意志的磨刀石、开阔胸襟的培养皿，也为他心中朦胧的科学梦描摹出清晰的轮廓，填充上绚丽的色彩。

1962 年，薛其坤出生在山东省临沂市蒙阴县一个贫困的农村家庭。他从小勤奋好学，父母举全家之力供其成材。1980 年，他考上了山东大学光学系。那年是恢复高考的第四年，在那个年代，能考上大学的人都可以称得上人中蛟龙。

然而，在之后的求学路上，薛其坤并不顺利，并未展现出他资质过人的一面。

1984 年，大学毕业的他第一次参加研究生入学考试，结果因为高等数学只考了 39 分，落榜了。之后，他到曲阜师范大学工作了 2 年，于 1986 年再次参加研究生入学考试，结果这次他原本擅长的物理却恰好也只考了 39 分，再次落榜了。接连的失败让薛其坤感到非常郁闷，但他意识到这两次“拖后腿的 39 分”恰好暴露了自己在基础知识上的短板。一个木桶能盛多少水，取决于桶壁最短的那块木板。薛其坤深谙其中的道理，经过反思和补短，他终于在考研“第三战”中成功考上了中国科学院物理研究所的研究生。

几经挫折考上研究生后，薛其坤的深造之路也走得并不顺利。从硕士到博士，他花了 7 年时间。因为实验设备经常出现故障，他一度得不到准确的实验数据，写不出像样的研究论文。直到 1994 年，他才获得中国科学院物理研究所的理学博士学位。3 次考研花了 4 年时间，读研读博又用了 7 年时间，为了得到一个博士毕业证书，他一共花了 11 年的青春年华。尽管此时的他已经 32 岁了，但对于科学梦想的追求却使他从未止步，也从未被困难打倒。

1992 年，作为中日联合培养的学生，薛其坤赴日本仙台东北大学金属材料研究所学习。这段经历被他称为“个人成长中最艰难的一个时期”。

远离家人、没有朋友的孤独感尚可克服，不通日语却令他寸步难行， 成为他学习高精尖实验技术的巨大障碍。他因此常常“掉队”，受到导师的严厉批评。在导师号称“ 7-11”的实验室里，他早上 7 点前必须到达， 晚上 11 点才能离开。疲劳和困乏、对家乡的思念和现实的挫败感既“劳其筋骨”，又“苦其心志”，让他常常萌生放弃的念头。想家、想回国的思绪，萦绕其心头久久不散。靠着非凡的毅力和坚定的信念，他坚持了下来，个中辛酸难以言表。

有一次，导师布置了一项特殊任务，要求他花 3 天时间把成千上万颗螺丝分门别类地摆放整齐。这项任务看起来与实验操作毫不相关，让当时还是学生的他感到满心委屈。很多年后，当回忆起这次锻炼时，薛其坤坦言：“这是一个科学家基本素质培养的关键环节。”看似无关紧要的细节， 往往成为成败的关键。

得到导师的认可、让导师对其慢慢改观，是缘于薛其坤所做的第一个课题就取得了重要突破。这个突破是该实验室在日本东北大学成立 30 年来最重要的成果。从最不受导师待见的学生变成得意门生，并不是朝夕的功夫，薛其坤付出了常人难以想象的努力。努力的过程激发了他对实验的巨大兴趣，体会到研究科学、追求真理的幸福之处。这是一种使人忘却时间、忘却周遭、忘却自我的美妙意境。

这段异国求学经历给薛其坤留下了不可磨灭的烙印，使他不仅能够克服科研道路上的孤苦和寂寞，而且更能够容纳不同的思维方式和不同性格的人。这对于重大科研成果的产生至关重要。薛其坤形容重要的科学目标像一个巨大的磁石，需要吸纳各方面的科研人才通力协作，才能取得重大的科研成果。

2005 年 5 月，42 岁的薛其坤进入清华大学物理系工作。同年 11 月， 他当选为中国科学院院士。2009 年，薛其坤率领科研团队进入量子反常霍尔效应科研领域，仅用 4 年的时间就实现了 20 多年来全世界物理研究组无人实现的科学突破。

对于这项成就，薛其坤异常激动，但却谦虚有加。他说：“取得这样的成果，一是缘于我们有强大的国力，二是得益于许多科研人员的共同努力。如果说量子反常霍尔效应是一个西瓜，那么在这个科学突破实现之前还有很多的小甜瓜。科学目标有大有小，在探索的道路上有率先到达目的地的，有后来跟上的，这些都是科学上的进展，都是人类的福祉。”

薛其坤院士对中国未来的科学发展充满信心：“中国年轻一代的学子和科技工作者已经开始具备世界上最有竞争力的科研能力。我国的基础科学研究处在一个稳定的上升时期。在这个上升时期，国家在各个方面的竞争力不断增强，在个别的方向上开始出现引领世界的力量。如果我们继续保持稳定发展，很可能出现整个面上的规模性的领先，这对我国科技强国的建设，对实现中华民族伟大复兴都有非常重要的意义。”

因此，他呼吁社会各界对科技工作者予以支持和宽容，让他们能潜心研究，为国家的发展、世界的进步和人类的未来做出贡献。

他勉励当代青年科学家不忘“格物致知、诚意正心、修身治国”的赤子初心；善于思考和发现问题，善于发掘有意思的课题，通过对技术道路的选择，培养自己的判断能力、科学素养和学术品位；坚定理想，不辜负国家的支持，争取攻克世界上最具有影响力的科学难题，为未来的工业发展展开想象的翅膀。

2020 年 11 月，薛其坤卸任清华大学副校长，来到改革开放的前沿地区——深圳，担任南方科技大学（简称南科大）校长，同建校 10 周年的南方科技大学一起开启了新的篇章。在 2021 年南方科技大学的开学典礼上，薛其坤校长对全体师生提出“汲取精神力量、勇担复兴大任”的期许。面临百年未有之大变局，南科大和南科人要在传承精神谱系中铸就信仰之魂，在赓续红色血脉中坚定理想信念，在学习百年党史中汲取奋进力量，形成独特的精神谱系。“善其身”“济天下”，为中华民族伟大复兴、社会主义现代化强国建设和高水平科技自立自强做出应有的贡献。

孔子说：“居之无倦，行之以忠。”“赤子初心”存在于向善、向美、向真的追求之中，不管它是远大的理想，还是一个简单的愿望，无论过了多久、走得多远，都仍然是指引我们矢志不渝、爱国奉献的精神力量。

本文摘编自《深圳的科学家故事》（薛其坤, 林祥主编. 北京：科学出版社，2024.1）一书。

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ISBN 978-7-03-076926-8

责任编辑：侯俊琳 朱萍萍

深圳是我国改革开放的前沿阵地，也是深化改革和科技创新的“排头兵”。这里有这样一群科学家——他们辛勤奉献、与时俱进、革故鼎新、坚忍不拔，为城市的发展和国家的科技进步立下汗马功劳。这些头顶光环的科学家离我们有多远？他们是如何成为科学家的？科学家是怎么工作与生活的？怀揣理想的青少年如何选择自己的成长道路？这本贴近生活、契合大众的科学家故事锦集给出了很好的答案。

本书围绕深圳的科学家们的人生经历，展示了他们的成长、工作、生活及感悟，消除了科学家的神秘感，读者可以从中零距离地感受爱国、创新、求实、奉献、协同、育人的中国科学家精神。

（本文编辑：刘四旦）

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