如果說當(dāng)代科學(xué)家里最勵志的應(yīng)該要屬薛其坤了，從一個放牛娃，到如今世界著名的大物理學(xué)家，薛其坤用自己的努力書寫了人生的傳奇。
1963年，薛其坤出生在山東省沂蒙山區(qū)的一個小村莊，家里兄弟姐妹比較多。讀小學(xué)、中學(xué)時，農(nóng)村條件還相對落后，父母為了生機(jī)起早貪黑，而薛其坤從小就幫父母放牛。薛其坤也因?yàn)樽约旱耐杲?jīng)常自稱自己為來自“沂蒙山區(qū)的放牛娃“。
在那個年代，尤其是在農(nóng)村里，薛其坤的父母雖然并沒有嚴(yán)格督促薛其坤學(xué)習(xí)，但是也沒有讓他放棄學(xué)業(yè)。
1977年薛其坤考入了蒙陰縣第一中學(xué) ，那個時候恢復(fù)高考的消息傳來，薛其坤的中學(xué)老師對全班同學(xué)說了一句：“同學(xué)們，高考恢復(fù)了，好好學(xué)習(xí)就有希望考上大學(xué)，接受高等教育。”
薛其坤也大受鼓舞，定下理想——走出大山，讀大學(xué)。不過薛其坤一開始并沒有想要做一名物理學(xué)家，他因?yàn)槲锢沓煽兛嫉煤茫岳蠋熃o薛其坤推薦了幾個系，薛其坤就直接照著填，其中就包括山東大學(xué)光學(xué)系。
后來薛其坤被山東大學(xué)光學(xué)系錄取，薛其坤就糊里糊涂地上了大學(xué)，他當(dāng)時都不知道這個專業(yè)是學(xué)什么的，以后從事什么工作。
在山東大學(xué)第二年，薛其坤看到學(xué)校的報(bào)欄上貼著一些招生宣傳資料，心里覺著“研究生”這個詞很神圣。薛其坤心想說不定當(dāng)了研究生也許就能做研究人員、做科學(xué)家。所以薛其坤就開始準(zhǔn)備考研。
1984年大學(xué)畢業(yè)以后，薛其坤第一次考研失敗，高等數(shù)學(xué)只考了39分，他被分配到曲阜師范大學(xué)物理系教書。1986年再次考研，再次失敗，大學(xué)物理只得了39分。
連續(xù)兩次落榜，對他的心理打擊非常大，周圍人也勸他別固執(zhí)，認(rèn)為他不是一塊讀書的料，薛其坤卻并沒有躊躇和猶豫，還是選擇繼續(xù)考研，終于在1987年考入了中國科學(xué)院大學(xué)物理研究所凝聚態(tài)物理專業(yè)，進(jìn)行研究生學(xué)習(xí)。
在讀研期間，薛其坤還是沒有拿出亮眼的成績，碩士加博士，從87年一直到94年，薛其坤整整讀了7年才畢業(yè)。一般讀研都是五年、六年畢業(yè)，美國是六年到七年。薛其坤讀了7年才畢業(yè)，真的堪稱實(shí)實(shí)在在的“學(xué)渣”。
1992年，薛其坤作為中日聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生，來到日本東北大學(xué)金屬材料研究所學(xué)習(xí)，櫻井利夫治學(xué)以嚴(yán)格著稱。這位導(dǎo)師要求薛其坤一周工作 6 天，7 點(diǎn)來實(shí)驗(yàn)室，11 點(diǎn)之前不許離開。不管刮風(fēng)下雨，必須準(zhǔn)時到達(dá)。
薛其坤在日本還要忍受不懂日語的精神折磨。由于聽不懂導(dǎo)師的指令，他經(jīng)常受到導(dǎo)師嚴(yán)厲批評。導(dǎo)致導(dǎo)師和同學(xué)們一起做實(shí)驗(yàn)時，他不敢碰儀器，只在一邊怔怔地看。
語言不通，沒有朋友，家人隔海，一切好像要從頭再來，這一切的一切都在折磨著薛其坤。
想念家人孩子的薛其坤將所有精力都傾注在了科研身上，薛其坤憑借扎實(shí)功底和超常付出，他取得了一個科研上的重要突破——是7-11實(shí)驗(yàn)室三十年來最大成果。
1996年，薛其坤被邀請?jiān)谖锢韺W(xué)規(guī)模最大的美國物理學(xué)會年會上做報(bào)告，但是糟糕的英語口語讓他面臨挑戰(zhàn)而不知所措。為了保證萬無一失，他把要講的每個英語單詞、每句話寫下來，模擬練習(xí)了80多遍。不但糾正了發(fā)音，還把演講進(jìn)度控制在秒上，連每個單詞做什么手勢，他都練習(xí)到位。
你的基礎(chǔ)不一定很扎實(shí)，你同班同學(xué)可能比你在這個方向上更優(yōu)秀，每個人都有自己的短處，希望你用我練80多遍英語的體驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)齊短板，不斷補(bǔ)齊自己的短板，一定會把自己的工作做好。
而1999年，他入選中科院“百人計(jì)劃”，在祖國需要的時候，滿腔熱忱地回到中國工作，在中國科學(xué)院物理所工作，擔(dān)任研究員、博士生導(dǎo)師，2004年，他負(fù)責(zé)參與的項(xiàng)目《原子尺度的薄膜/納米結(jié)構(gòu)生長動力學(xué)：理論和實(shí)驗(yàn)》獲得了國家自然科學(xué)獎二等獎。
2005年，年僅41歲的薛其坤就當(dāng)選了中科院院士。中國最年輕的院士是盧柯，37歲，2019年增選的院士，最年輕的是42歲。這樣，你就能明白41歲當(dāng)選中科院院士是多高的成就了。
薛其坤最偉大的成就是發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)，這是改革開放以來中國第一次在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的諾獎級成就。
1879 年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應(yīng)使用左手定則判斷。
簡單來說，霍爾效應(yīng)它定義了磁場和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系。當(dāng)電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體的時候，磁場會對導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個橫向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。
霍爾效應(yīng)的應(yīng)用面十分廣泛，這類器件根據(jù)其特點(diǎn)配合感應(yīng)靈敏度較高的半導(dǎo)體器件,制成霍爾傳感器、各類磁環(huán)及開關(guān)電路等器件,被廣泛應(yīng)用于精密測磁、自動化控制、通信、計(jì)算機(jī)、航空航天等工業(yè)部門和國防領(lǐng)域。在當(dāng)今社會發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用。
霍爾效應(yīng)示意圖，作者Peo
按經(jīng)典霍爾效應(yīng)理論，霍爾電阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 應(yīng)隨B連續(xù)變化并隨著n (載流子濃度)的增大而減小，但是到了 1980 年，著名物理學(xué)家馮·克里津從金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)發(fā)現(xiàn)了一種新的量子霍爾效應(yīng)。他在硅MOSFET管上加兩個電極，再把這個硅MOSFET管放到強(qiáng)磁場和極低溫下，發(fā)現(xiàn)霍耳電阻隨柵壓變化的曲線上出現(xiàn)了一系列平臺，與這些平臺相應(yīng)的霍爾電阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整數(shù)1，2，3……。也就是說，這些平臺是精確給定的，是不以材料、器件尺寸的變化而轉(zhuǎn)移的。它們只是由基本物理常數(shù)h(普朗克常數(shù))和e(電子電荷)來確定。
馮·克里津的發(fā)現(xiàn)被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，馮·克里津由此獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎。
后來科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。
當(dāng)時，物理學(xué)者認(rèn)為除了夸克一類的粒子之外，宇宙中的基本粒子所帶的電荷皆為一個電子所帶的電荷-e（e=1.6×10-19庫倫）的整數(shù)倍。而夸克依其類別可帶有±1e/3或±2e/3電荷。夸克在一般狀況下，只能存在于原子核中，它們不像電子可以自由流動。所以物理學(xué)者并不期待在普通凝體系統(tǒng)中，可以看到如夸克般帶有分?jǐn)?shù)電子電荷的粒子或激發(fā)態(tài)。
但是在1982年，華人科學(xué)家崔琦和史特莫在二維電子系統(tǒng)中現(xiàn)了分?jǐn)?shù)化的霍爾電阻平臺。一開始是發(fā)現(xiàn)了?和?兩個平臺。之后他們制造出了更純的樣品, 擁有更低的溫度, 更強(qiáng)的磁場. 85mK 和 280kG, 這是人類第一次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)如此低的溫度和如此強(qiáng)的磁場(地磁場是 mG 的量級). 這樣的實(shí)驗(yàn)技術(shù)令人嘆為觀止，他們也因此觀察到了更加豐富的結(jié)構(gòu)。
量子霍爾效應(yīng)示意圖，來源：中國科普博覽
而崔琦和史特莫因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)獲得了 1998 年諾貝爾獎。2005年，英國科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。他們倆在2005年發(fā)現(xiàn)了石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，斬獲2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。
不過因?yàn)榛魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)量子化，有著兩個極端苛刻的前提條件：一是需要十幾萬高斯的強(qiáng)磁場，而地球的磁場強(qiáng)度才不過0.5高斯；二是需要接近于絕對零度的溫度。
在此背景下，科學(xué)家們又提出了一個設(shè)想：普通狀態(tài)下的霍爾現(xiàn)象會出現(xiàn)反常，那么，量子化的霍爾現(xiàn)象是否也能出現(xiàn)反常？如果有，不是就可以解決外加高磁場的先決條件了嗎？
也就是說量子反常霍爾效應(yīng)它不依賴于強(qiáng)磁場而由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生。在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小Ｗ?988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒有取得任何進(jìn)展。
我們可以用一個簡單的比喻，來說明量子霍爾效應(yīng)和量子反常霍爾效應(yīng)之間的關(guān)系，我們使用計(jì)算機(jī)的時候，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運(yùn)動制定一個規(guī)則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進(jìn)。
然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，“相當(dāng)于外加10個計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。”而量子反常霍爾效應(yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/p>
這項(xiàng)全新突破也被視作“有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員”。然而正是因?yàn)槎嗄暌詠砜茖W(xué)家都沒有發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，所以量子反常霍爾現(xiàn)象也被稱為物理學(xué)研究皇冠上的明珠。
2006年, 美國斯坦福大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的新方向。2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。這個方案引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
德國、美國、日本等有多個世界一流的研究組沿著這個思路在實(shí)驗(yàn)上尋找量子反常霍爾效應(yīng)，但量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非常困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。盡管多年來各國科學(xué)家提出幾種不同的實(shí)現(xiàn)途徑，但所需的材料和結(jié)構(gòu)非常難以制備，因此在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)展緩慢。
從2009 年，薛其坤團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近5年的研究，薛其坤團(tuán)隊(duì)克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運(yùn)測量等多道難關(guān)，一步步實(shí)現(xiàn)了對拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，，薛其坤團(tuán)隊(duì)付出了常人難以想象的努力。但實(shí)驗(yàn)最終的成功與否，還要看一個標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)——在零磁場中，能否讓磁性拓?fù)浣^緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。
“要觀察到量子反常霍爾效應(yīng)，就需要拓?fù)浣^緣體材料既具備磁性又是絕緣體，要做到這一點(diǎn)，以單晶硅為例，這要求在一百萬個硅原子中只能有一個雜質(zhì)。”用薛其坤的話說，這可以說是一個“自相矛盾”的要求
他們生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應(yīng)。這是首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。
北京時間2013年3月15日，《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)文，宣布中國科學(xué)院薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”。
這項(xiàng)被3名匿名評審人給予高度評價(jià)的成果，是在美國物理學(xué)家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)133年后，首次實(shí)現(xiàn)的反常霍爾效應(yīng)的量子化，也因此被視作“世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。
張首晟教授更是評價(jià)道：“量子反常霍爾效應(yīng)可在未來解決摩爾定律瓶頸問題，它發(fā)現(xiàn)或?qū)硐乱淮涡畔⒓夹g(shù)革命，我國科學(xué)家為國家爭奪了這場信息革命中的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。”
因?yàn)榛魻栃?yīng)的相關(guān)發(fā)現(xiàn)者都斬獲了諾貝爾獎，因此薛其坤也被認(rèn)為是最有機(jī)會獲得諾貝爾獎的中國科學(xué)家。
2018，薛其坤獲得了有中國諾貝爾之稱的國家自然科學(xué)獎一等獎，是中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項(xiàng)，旨在獎勵那些在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，闡明自然現(xiàn)象、特征和規(guī)律，作出重大科學(xué)貢獻(xiàn)的中國公民。由于該獎項(xiàng)的評選嚴(yán)格性，在歷史上多次空缺，比如2010年、2011年和2012年。
而在此之后，薛其坤繼續(xù)攀登科學(xué)高峰，2016年，他帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)首次把分子束外延技術(shù)拓展到鐵基超導(dǎo)材料的制備中，解決了材料制備的一個重要難題。在此基礎(chǔ)上，他們還發(fā)現(xiàn)一類全新的低維高溫超導(dǎo)體系——單層FeSe薄膜，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有超過77K的跡象。
如果最后得到證實(shí)，這將是自1986年發(fā)現(xiàn)銅酸鹽陶瓷高溫超導(dǎo)材料（1987年諾貝爾物理獎）以后第一個轉(zhuǎn)變溫度超過77K的高溫超導(dǎo)體系。這將是整個物理學(xué)領(lǐng)域的一個重大突破。
從農(nóng)村的放牛娃，兩次考研失敗，50歲卻攻克百年物理難題，薛其坤用自己的努力書寫了屬于自己的傳奇。
