国家最高科技奖得主薛其坤：选择研究方向至关重要

“人人那个都说沂蒙山好，沂蒙那个山上好风光……”伴随着悠扬的沂蒙山小调，国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，9月8日来到第八期“浦江科学大师讲坛”正式开讲。

这位从沂蒙山区走出来的物理学家从未忘记家乡。他说，正是简朴艰苦的年少生活，赋予自己勤奋坚韧的品质，使他能够坚持“7-11”(早7点进实验室，晚11点离开)工作模式30年，并支撑他在攀登科学高峰的路上一路前行。

薛其坤是中国凝聚态物理领域的杰出科学家，以其在量子反常霍尔效应和高温超导电性研究中的开创性成就赢得了学界的广泛认可，获得包括国家自然科学一等奖、国家最高科学技术奖、菲列兹·伦敦奖、巴克利奖等多项国内外重要奖项。

图为薛其坤在浦江科学大师讲坛上。本文图片均由复旦大学提供。

“超导是物理学科学发现的富矿。”薛其坤介绍，过去113年里，共有5次诺贝尔物理学奖授予超导研究的物理学家。他喜欢这种“富矿”，因为这种领域不仅蕴藏着丰富的科学发现，更能考验一个人的学术水平。

“超导体，首先必须是导体。导体电阻主要来源于原子振动对电子的散射。”薛其坤打了个形象的比喻：“温度低的时候，原子就不大运动了。就像一帮人做广播体操，中间有一个人想穿过去，这些人如果一直乱走，人很难走过去;但如果这些人都停下来，这个人就能找到空隙走过去。也就是说，温度越低，原子振动越弱，电阻就容易通过，所以超导一般会发生在低温。”

温度超过40K(零下233 °C)的超导为高温超导。因此，在超导研究领域，提高超导体材料的临界温度(Tc)是关键。而霍尔效应的发现，打开了人们认识微观世界的又一扇大门。

霍尔效应指当电流沿纵向通过导体或半导体薄片时，如果薄片置于垂直方向的磁场中，就会在其两侧产生一个横向电压，即霍尔电压。这是由于载流子在洛伦兹力的作用下发生偏转所导致的。

而量子霍尔效应，则是霍尔效应的一种量子化版本。它是在强磁场下出现的一种特殊状态，其中霍尔电阻呈现出量子化的阶梯状特征。量子霍尔效应可以进一步分为整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，前者发生在二维电子系统中，后者涉及了分数激发态。

薛其坤提到，尽管霍尔效应通常需要在极强磁场下才能观察到，但早在1880年，霍尔就在研究磁性金属的霍尔效应时发现了一个有趣的现象：即使不加外磁场，也可以观测到霍尔电阻，这种在零磁场中的霍尔效应被称为反常霍尔效应。

该发现引发了另一个问题：既然存在量子霍尔效应，那么是否也存在一个量子化的反常霍尔效应版本?

量子反常霍尔效应正是这样一种现象，它不需要外加磁场即可观察到量子化的霍尔电阻。在量子反常霍尔状态下，材料表面的电子遵循着特定的轨迹运动，形成所谓的边缘态，这些边缘态允许电子沿着特定的方向无散射地流动，从而大大降低了能量损耗。

“如果超导体中，所有地方的电阻都为0，那么量子霍尔效应的材料内部的电阻无穷大，而边缘的电阻为0。”薛其坤解释道。

回溯超导研究发展历程后，科学研究究竟该怎么去定义?薛其坤分享了自己对科学研究的理解，把科学研究分成三个层次——“0到1”的发现、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。

图为薛其坤在浦江科学大师讲坛上。

“选择研究方向至关重要。”他为青年研究人员给出建议，“如果是在这样一个前沿方向上，你就可能有机会在巨人科学发现的基础上再做出新的科学发现。”

中国科学院院士、复旦大学物理学系教授孙鑫提问：“在你们观测到的量子反常霍尔效应的基础上，能不能发现一个趋势，更上一层楼，观测到分数的量子反常霍尔效应?”

“这是该领域很多物理学家目前正在追逐的目标。”薛其坤答道，“值得让我们高兴的是，去年开始在新的材料中已经实现了分数化的量子反常霍尔效应，很多年轻研究者都在这个方向上取得了新的成绩。”

还有学生向薛其坤请教：“新兴的镍基超导体，能否给未来的科研工作带来新的进展?”薛其坤答道，国内外高校在这方面都做出了新的成果、突破，并鼓励年轻人“一定不要有思想上的包袱，不要因为一些科学研究的理论或过去一些结果的限制而阻碍了对未知的探索”。

“在元素周期表上的任何元素中，都有可能发现新的高温超导，高温超导的探索这个赛场是非常广阔的，值得坚持下去!”他说。

量子反常霍尔效应的发现为薛其坤带来了诸多赞誉，但他的工作并不止步于此。

图为薛其坤在浦江科学大师讲坛上。

他在该领域还有其他研究方向：“第一个方向是实验技术，包括分子束外延、扫描隧道显微学、角分辨光电子能谱这些设备，都是我的研究对象。另一个方向是新的前沿问题，包括表面物理、拓扑量子态、低维超导电性等。”

其中，液氮温区的超导电性问题是薛其坤团队重点攻关的目标，“20世纪80年代开始，液氮温区超导问题就进入了学界的视野，但其原理是什么，现在还没有科学家能很好地解释，我们希望能在这一领域作出突破。”

https://news.youth.cn/gn/202409/t20240909_15505655.htm