奇跡為什么出現(xiàn)在中國(guó)
——記首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)
來源：光明日?qǐng)?bào) 2013-4-12 豐捷 齊芳 鄧暉
編者按
用科技托舉中國(guó)夢(mèng)，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)用實(shí)干為我們樹立了實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的榜樣。
一則深?yuàn)W的科技新聞近來備受矚目——中國(guó)科學(xué)家首次從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。3月16日，本報(bào)率先對(duì)這一激動(dòng)人心的重要成果給予充分報(bào)道：一版刊發(fā)題為《我科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)》消息，并在教科新聞版頭條配發(fā)解讀文章《或?qū)⒁畔⒓夹g(shù)新革命》。昨日，本報(bào)在大視野版頭條刊登《“這是一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)”》一文，對(duì)科研過程進(jìn)行深入報(bào)道。
我們的采訪還在繼續(xù)。因?yàn)椋诰虮澈蟮墓适拢骄砍晒Φ慕?jīng)驗(yàn)，我們?cè)桨l(fā)感到，中國(guó)科學(xué)家，他們是一群有理想，有韌勁，執(zhí)著、奮進(jìn)，甘于奉獻(xiàn)的“追夢(mèng)者”，實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)，就需要這樣的群體。
今天，請(qǐng)您與我們一起走近這群“追夢(mèng)者”，一同找尋“奇跡為什么出現(xiàn)在中國(guó)”的答案。
全世界都在這個(gè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)人先拔頭籌。
“早在2008年，我們就預(yù)言了在有磁性摻雜后會(huì)出現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。此后，誰能夠在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)它的存在，引起了一場(chǎng)世界范圍的角逐。”斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)教授張首晟談及中國(guó)科學(xué)家的勝利，至今仍興奮不已。
2013年3月15日，美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志在線刊發(fā)了清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的最新成果——從實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。
“這很可能引發(fā)信息技術(shù)的一次革命”，“中國(guó)科學(xué)家為國(guó)家爭(zhēng)奪了一個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)”。張首晟這樣評(píng)價(jià)。
對(duì)中國(guó)科學(xué)家來說，這真是一個(gè)追逐夢(mèng)想、締造奇跡的過程。而當(dāng)夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，我們想要探究的是，為什么這個(gè)奇跡發(fā)生在中國(guó)？
一個(gè)堅(jiān)韌不拔的火車頭，一個(gè)志存高遠(yuǎn)的領(lǐng)航者
時(shí)間定格在2012年10月15日。
10000歐姆，20000歐姆，……25800歐姆！數(shù)據(jù)不停地跳動(dòng)，終于停在了這個(gè)令人神往的地方——一個(gè)在物理學(xué)家眼中“最美妙的時(shí)刻”到來了。這一刻，中國(guó)科學(xué)界為之振奮，這一刻，也將載入世界物理學(xué)史冊(cè)——在美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)133年后，人類終于實(shí)現(xiàn)了其量子化。
這是四年，1460多個(gè)日日夜夜的濃縮。薛其坤與他的團(tuán)隊(duì)以每一個(gè)“7-11”向著目標(biāo)沖刺。“這么多年，其坤只要在學(xué)校，每天總是7點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)到實(shí)驗(yàn)室，最早晚上11點(diǎn)離開。”清華大學(xué)物理系教授朱邦芬院士以形象的“7-11”為薛其坤冠名。
是什么支撐薛其坤和他的整個(gè)團(tuán)隊(duì)如此愛戀實(shí)驗(yàn)室？是對(duì)科學(xué)前沿的探求精神，還有實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的堅(jiān)定意志。
追尋量子反常霍爾效應(yīng)的征程上，薛其坤把一股子勤奮研究的“拼命勁”發(fā)揮得淋漓盡致。朱邦芬曾這樣感嘆：“他有著遠(yuǎn)超出普通人的旺盛精力，我有一次和其坤出差，飛機(jī)到北京已經(jīng)快晚上12點(diǎn)了，他還要到實(shí)驗(yàn)室去看學(xué)生在做什么，有沒有新的發(fā)現(xiàn)。”
科學(xué)研究沒有坦途。剛開始的時(shí)候，由于不熟悉材料性能，課題組遭遇了長(zhǎng)達(dá)1年多的平臺(tái)期，反常霍爾效應(yīng)的數(shù)值始終在極低值徘徊。“還有希望嗎？”許多博士生覺得干不下去了。“我們現(xiàn)在從事的實(shí)驗(yàn)工作是非常重要的，你們很可能發(fā)現(xiàn)到目前為止還從沒有人看到過的東西。要是看到了，這一輩子都值了；要是看不到，你們也能從中歷練、成長(zhǎng)很多。”關(guān)鍵時(shí)刻，一場(chǎng)讓課題組成員“渾身發(fā)熱、干勁十足”的講話振奮了士氣，薛其坤當(dāng)仁不讓地扮演了領(lǐng)航者的角色。清華大學(xué)物理系教授王亞愚不無感慨地說：“團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人的作用至關(guān)重要，他們往往會(huì)在關(guān)鍵時(shí)刻起到不可替代的作用。”
對(duì)科學(xué)的堅(jiān)持與激情，還有薛其坤深厚的學(xué)術(shù)積淀和對(duì)于學(xué)科前沿敏銳的洞察力，直接引導(dǎo)著整個(gè)團(tuán)隊(duì)的精神，讓“樂觀向上”成為他們的獨(dú)特氣質(zhì)，也讓“攻關(guān)卻不急躁”成為四年間團(tuán)隊(duì)成員始終恪守的信條。
難有的平和氣質(zhì)，讓實(shí)驗(yàn)中負(fù)責(zé)量子反常霍爾效應(yīng)測(cè)量的王亞愚收到第一封拒稿信時(shí)選擇了“淡然處之”，“第一反應(yīng)會(huì)有些沮喪，因?yàn)閯e的小組進(jìn)展都很快。但薛老師和我們都很清楚，科學(xué)研究從來都急不得，特別是面對(duì)這樣一個(gè)艱深的科學(xué)難題，更要沉得住氣，要有耐心。最終，2013年3月，我們連續(xù)在美國(guó)頂尖雜志《科學(xué)》上發(fā)表了兩篇重量文章，最終國(guó)際同行還是高度認(rèn)可了我們的研究工作。”
協(xié)同創(chuàng)新，一個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)的激情迸發(fā)
“之所以能這么快取得成功，很大程度上源于我們擁有一個(gè)協(xié)同創(chuàng)新、配合默契的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，有兩位非常突出的年輕學(xué)術(shù)帶頭人。”薛其坤說。
而這份默契，也經(jīng)歷過最初的磨合。
實(shí)驗(yàn)中，負(fù)責(zé)測(cè)量工作的王亞愚和負(fù)責(zé)樣品生長(zhǎng)工作的中科院物理所副研究員何珂剛一開始其實(shí)“并不合拍”。“我們兩個(gè)研究組在思維、習(xí)慣和科研方式上都有很大不同。亞愚習(xí)慣在掌握一批樣品后進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)量，而對(duì)于我們來說，在超高真空的環(huán)境下每生長(zhǎng)出一個(gè)樣品需要一到兩天的時(shí)間，我們希望生長(zhǎng)一個(gè)馬上進(jìn)行詳盡的測(cè)量。”回想起第一次合作時(shí)，王亞愚一下子要5個(gè)樣品的“獅子大開口”，何珂笑言“確實(shí)有些吃不消”，“一開始的磨合很痛苦。但當(dāng)雙方都習(xí)慣了彼此的工作方式，能作出主動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)，思維碰撞的火花越來越多了。”
“一個(gè)頂尖的團(tuán)隊(duì)需要各個(gè)領(lǐng)域的頂尖人才，但如何讓他們發(fā)揮出1+1﹥2的效果，才是一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功的關(guān)鍵。”王亞愚說。中科院物理所研究員戴希也非常感慨：“這項(xiàng)研究的參與者有三四十人，整個(gè)團(tuán)隊(duì)就像一條串聯(lián)電路，我們這些‘電阻’，雖然個(gè)頭有大有小，但每個(gè)人身上通過的電流都是一樣的。拿走任何一個(gè)‘電阻’，電路都不會(huì)通。如果沒有這么好的合作模式和流程，很難想象我們會(huì)做成這件事。”
這個(gè)攻關(guān)世界課題的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，平均年齡只有30多歲，先后有20多名研究生參與其中，“我們和學(xué)生在一起，并不完全是指導(dǎo)和被指導(dǎo)的關(guān)系，而更像是一種合作，在這個(gè)過程中我們共同成長(zhǎng)。”王亞愚說，“導(dǎo)師可能有更多的經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)方面、物理方面給學(xué)生指導(dǎo)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)碰到挫折時(shí)對(duì)未來的方向有更好的判斷；可以發(fā)掘?qū)W生不同的特長(zhǎng)，有的學(xué)生膽子大、有的心細(xì)、有的手巧，給他們最適合的工作；盡管我們有比學(xué)生更豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，但面對(duì)這么難、這么有挑戰(zhàn)性、不確定性這么大的科學(xué)難題，對(duì)年輕導(dǎo)師也是第一次，是我們和學(xué)生在一起不斷探索，加深理解。”
何珂說，材料制備與其說是科學(xué)，不如說是藝術(shù)。同樣一個(gè)材料，換臺(tái)機(jī)器、換個(gè)人就可能做不出來，極其考驗(yàn)人的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平與耐心。這次何珂也遇到了讓他幾近絕望的事。薛其坤院士要求他們制備厚度僅為5納米的薄膜，同時(shí)還要往里摻雜磁性材料，薄膜必須非常平整，凹一納米或凸一納米都不行。
“有半年時(shí)間，我們一點(diǎn)進(jìn)展都沒有，似乎已經(jīng)把能用的手段都用完了。”何珂回憶，后來一個(gè)學(xué)生偶然間把蓋住薄膜的覆蓋層拿了下來，竟發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)大大增強(qiáng)了，可謂柳暗花明。
“這個(gè)覆蓋層是將薄膜與大氣隔離的，大家做實(shí)驗(yàn)都用這個(gè)。”這讓何珂領(lǐng)悟到，思維沒有盲區(qū)，做科學(xué)研究，不能迷信任何理論和經(jīng)驗(yàn)，除了要持之以恒外，跳出思維慣式也至關(guān)重要。
好的科研環(huán)境，讓科學(xué)研究自由生長(zhǎng)
總結(jié)自己與團(tuán)隊(duì)的成功，薛其坤列出了三條：一、大家在各自領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累；二、協(xié)同創(chuàng)新，緊密合作；三、不急不躁，能坐得住“冷板凳”。
薛其坤同時(shí)對(duì)近年來的國(guó)內(nèi)科研環(huán)境大加肯定，他說，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，讓國(guó)家越來越重視基礎(chǔ)科學(xué)研究，連續(xù)多年對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的投入都是大幅度增長(zhǎng)。“相反美日等國(guó)卻在不斷縮減，這對(duì)我們搞基礎(chǔ)研究的人來說，是一個(gè)很大的鼓舞。另一方面，國(guó)家的對(duì)外開放和人才政策使一批擁有海外學(xué)術(shù)背景的科學(xué)家回到祖國(guó)，他們親身經(jīng)歷過西方學(xué)術(shù)界‘良好的科研氛圍’，能把這些好的東西帶回來，會(huì)讓研究少走不少彎路。”
讓王亞愚感到欣慰的是一個(gè)自由的科研空間，“國(guó)家和各方單位給了我們很大的自由度，為我們創(chuàng)造了寬松的科研環(huán)境。當(dāng)初申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)時(shí)我們并沒有想做量子反常霍爾效應(yīng)這個(gè)難題，可后來發(fā)現(xiàn)這非常值得做，也有希望做成時(shí)，不需要任何請(qǐng)示、匯報(bào)或重新填寫計(jì)劃，我們可以根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度自主調(diào)整研究計(jì)劃。這對(duì)任何國(guó)家的科學(xué)研究來說都非常重要，因?yàn)槊恳粋€(gè)新的發(fā)現(xiàn)，是不可能提前預(yù)料到的，往往會(huì)有一個(gè)靈光一現(xiàn)的過程。”
而在朱邦芬看來，這里有最勤奮的團(tuán)隊(duì)，和團(tuán)結(jié)協(xié)作的氣氛。何珂就曾開玩笑說，幸虧兩個(gè)兄弟單位離得近，“我們生長(zhǎng)出樣品后，送到清華去測(cè)霍爾電阻，然后再拿回來改進(jìn)，一天跑幾個(gè)來回很正常。”這樣的“折返跑”，3年里重復(fù)了無數(shù)次。據(jù)粗略估計(jì)，僅是制備摻雜磁性的拓?fù)浣^緣體材料，他們就做了1000多次，若加上其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)，數(shù)量還要多得多。
楊振寧先生把他們的這種“和諧”歸結(jié)為中國(guó)文化的力量。他說，這與中國(guó)傳統(tǒng)文化中強(qiáng)調(diào)“團(tuán)隊(duì)”有很大關(guān)系。“中國(guó)文化跟西方文化的主要分別就是團(tuán)隊(duì)在先，還是個(gè)人在先。在中國(guó)文化傳統(tǒng)里常常認(rèn)為團(tuán)隊(duì)在先，個(gè)人在后。強(qiáng)調(diào)個(gè)人有它的好處，可是中國(guó)的精神也有它的好處，你如果仔細(xì)想一想，為什么兩彈一星能在那么窮苦的狀態(tài)下做出來？為什么能作出人工胰島素合成這樣的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的貢獻(xiàn)？”團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作，或許就是最好的答案。
如今，這個(gè)源自中國(guó)科學(xué)家自己實(shí)驗(yàn)室里的偉大發(fā)現(xiàn)也獲得了來自國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)——
實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布后，薛其坤曾應(yīng)邀去日本作學(xué)術(shù)報(bào)告。作為在世界上和中國(guó)科學(xué)家研究水平最相近的“老對(duì)手”，日本科學(xué)家給他發(fā)來了郵件，稱贊“這是我在過去十年里聽到的最好的學(xué)術(shù)報(bào)告，我們真沒有想到你們最終發(fā)現(xiàn)了這一美妙現(xiàn)象”，“這非常非常令人激動(dòng)”。
另一位美國(guó)知名物理學(xué)家也向課題組發(fā)來郵件，“看到你們的結(jié)果，我真感覺有些嫉妒。但回過頭想起來，這個(gè)工作巨大的難度也確實(shí)讓我們嘆為觀止”。
美國(guó)《科學(xué)》雜志的匿名評(píng)審則給出了這樣的評(píng)價(jià)，“這篇文章結(jié)束了對(duì)量子反常霍爾效應(yīng)多年的探尋，這是一項(xiàng)里程碑式的工作。我祝賀文章作者們?cè)谕負(fù)浣^緣體研究中作出的重大突破。”
半個(gè)多世紀(jì)以來，在半導(dǎo)體技術(shù)和信息技術(shù)上，中國(guó)基本跟在發(fā)達(dá)國(guó)家后面。“這個(gè)突破，不僅給整個(gè)科學(xué)界帶來一次機(jī)會(huì)，也是中國(guó)一次非常難得的機(jī)會(huì)。”張首晟說，“我們完全可以跳躍式地走到前面，我們一定要抓住下一代信息技術(shù)革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)！”
而就在記者截稿前，這個(gè)本該享受成功、短暫休息的深夜，薛其坤與他的團(tuán)隊(duì)成員還在實(shí)驗(yàn)室里堅(jiān)守，因?yàn)椋瑢?shí)現(xiàn)夢(mèng)想的征途剛剛開始，“前面的路還長(zhǎng)著呢……”
