湖心讲堂｜南科大校长薛其坤：做科学的三重境界

本文转载自西湖大学WestlakeUniversity

湖心讲堂2022夏季公开课 

薛其坤站上了学术会堂的讲台，面容清瘦，穿着白色短袖衬衫。此刻会场温度27℃，杭州室外气温37℃。

在学术会堂入口大厅内，西湖大学的博士生们正在用液氮给一块超导体降温，准备演示超导磁悬浮实验。

几颗不慎飞溅出的圆滚滚的液氮在演示用的白色桌台上流淌，化作阵阵白雾，-196℃。

西湖大学湖心讲堂2022夏季公开课，即将展开关于“世界的理性叙述”，但这位物理学家演讲的开头，就幽默了一把：

“一公研究的是活的材料，我研究的是死的材料。研究活的材料比较复杂，所以我只能研究死的材料。”

薛其坤是著名物理学家、中国科学院院士，也是南方科技大学校长，这次他将从“工具、材料、目标”三个层次来阐述他理解中的物理科学研究。

湖心讲堂现场

多年前，薛其坤和施一公同时是清华大学副校长。在北京，两人曾同住一个小区。有一次，薛其坤想看看施一公有多努力，是不是很早去学校，就在7点钟到小区门口堵他，结果没等到。第二天，薛其坤改到6点，还是没等到。第三天，薛其坤5点钟摸着黑站在小区门口，等到了刚从实验室下班回来的施一公。

这可能是物理学家的科学精神吧。什么才是科学？在哲学家波普尔看来，科学是一个持续试错的过程，科学必须是可以证伪的。

薛其坤在实验室（图源：新华社）

薛其坤有这股子劲。1962年出生在山东蒙阴的一个农村家庭，本科毕业后考了3次才考上中科院物理所，然后花了7年才毕业。后来赴日本读博士，薛其坤的“711教授”的外号就是那个时候来的——7点去实验室，晚上11点离开。

王国维说过三重境界，薛其坤为伊消得人憔悴，也终于等到蓦然回首。在2013年，薛其坤和他带领的团队，首次发现了量子反常霍尔效应，杨振宁称之为“诺贝尓奖级的发现”。

这次演讲的主线，也是在霍尔效应的百年之路上展开的。当科学家讲起故事来，你会发现深奥的物理并没有那么难懂。

霍尔效应

1879年，美国科学家霍尔在读博士期间发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个边界之间会出现电势差。这个现象被称作霍尔效应。

就是这么一个简单的实验，让后世科学家反复探索，前后持续了100多年，产生了多个诺贝尔奖。与其说是实验，它更像是认识世界的一个装置。

霍尔很聪明，他紧接着想到了从材料上进一步思考问题，如果去掉外部磁场，导体本身自带磁性呢？这就有了第二个著名发现——反常霍尔效应。

霍尔效应的应用非常广泛，你开车时的车速显示，用的就是霍尔传感器。但霍尔效应的登峰造极，倒还不只有这些非常具体的应用。在量子领域，霍尔效应一次次刷新了人类的认知。

1980年，德国物理学家冯·克里津发现了量子霍尔效应。他延续了霍尔换材料的思路，用上了金属―氧化物半导体。他发现霍尔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可以这样表示：

H/n·e2

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（摄影师 Frank Neßlage）

这就神奇了，在量子世界，霍尔电阻和材料没有关系，违反我们人类的直觉。1985年，冯·克里津就拿到了诺贝尔奖，仅仅5年时间，可以说石破天惊。

那有没有可能在非外部磁场下，实现量子反常霍尔效应？换句话说，反常霍尔效应真的存在吗？虽然理论界有一些预测，但全世界各地的实验室，都苦于无法找到这样的材料。

量子霍尔效应实验数据

当时认为，拓扑绝缘体有可能实现这一实验。拓扑绝缘体左边是一个导体，右边是一个绝缘体，由于相关的量子效应，绝缘的表面上出现了一层自发的导电层，有点像一个“圈”。 

拓扑绝缘体的制备已经非常难，而要满足量子反常霍尔效应，还需要让材料具备磁性，但磁性和绝缘往往是不能共存的。

薛其坤打了个比方，你要找到一个人，打篮球超过姚明，跑步超过博尔特，滑冰超过羽生结弦。

讲座现场

尽管薛其坤团队配备了世界上最强大的三个仪器结合起来的系统，常常是半年一点研究进展都没有。当时，清华大学联合中国科学院、上海交通大学、斯坦福大学等院校机构开展合作，20余名研究生共同努力，花了四年多的时间制备了1000多个样品。

在量子反常霍尔效应下，材料会出现无损耗边缘导电态。如果说传统材料是一个拥堵的十字路口，电子在里面横冲直撞，会产生大量损耗和热量。而无损耗边缘导电态就像是电子的高速公路。那将是一个美丽新世界。

大家知道，摩尔定律已经差不多失效了，人类想要大幅提升计算性能，必须突破物理瓶颈。而量子反常霍尔效应的发现，有望克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题。

薛其坤团队制备的量子反常霍尔效应实验样品（图源：新华社）

通过薛其坤讲霍尔效应的百年故事，其实可以看到做科学研究的重要的三个层次：研究工具——仪器，研究对象——材料，研究目标——思考和发现。

仪器和材料，是科学研究的砺石，而科学的思考和发现，更像是磨砺出来的针尖。

正如薛其坤提到的扫描隧道显微镜，它直接帮助人类“摸到”了原子。当这台仪器的“针尖”靠近表面材料时，会产生量子隧穿电流。通过扫描表面起伏，人类利用隧穿电流的敏感性，将原子给“摸到”、观察到。

人的感官能力是有限度的，但科学的研究和思考是无限的。薛其坤用杜甫的诗句为演讲结尾：荡胸生曾云，决眦入归鸟。 

比世界更宽广的，是生命的心胸和眼界。