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。

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