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国家自然科学奖一等奖——“量子反常霍尔效应的实验发现” 日期：2019年01月08日 10:00 来源：科技部 由清华大学薛其坤等完成 强磁场下二维电子系统呈现的量子霍尔效应是凝聚态物理学的重要研究方向，相关发现曾3次获得诺贝尔物理学奖。量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场、基于全新物理原理的量子霍尔效应。它不但是量子霍尔态得以实际应用的关键，还是很多新奇量子效应实现的基础。在实际材料中实验发现量子反常霍尔效应是凝聚态物理学的重大科学目标之一，但二十多年来没有实质性实验进展。  项目组在国际上首先建立了Bi2Te3家族拓扑绝缘体分子束外延生长动力学并发展出高质量拓扑绝缘体薄膜材料的制备方法；首次在实验上揭示出拓扑表面态随维度的演化过程及背散射缺失等独特性质；发展了拓扑绝缘体薄膜的能带结构和化学势调控手段；在磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜中首次发现了拓扑导致的磁量子相变并揭示出在其中建立长程铁磁序的关键因素；制备出了同时具备铁磁性、体绝缘性、拓扑非平庸性的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，并在这种薄膜中首次从实验上观测到量子反常霍尔效应。该发现已被国际上多个知名实验室重复与确认，被2016年诺贝尔物理学奖评奖委员会和获得者霍尔丹列为拓扑物质领域近二十年来最重要的实验发现，是建国以来我国物理学家发现的一个重要科学效应。该项目8篇代表性论文中有2篇发表于《Science》，2篇发表于《Nature》系列期刊，2篇发表于《Phys. Rev. Lett.》，2篇发表于《Adv. Mater.》。这些论文已被SCI他引超2200次。该项目取得的成果为多种新奇量子现象的实现铺平了道路，可用于开发拓扑量子计算和新原理的低能耗电子学和自旋电子学器件。  “量子反常霍尔效应的实验发现”最终测量样品和数据 发现量子反常霍尔效应 为人类科学知识宝库贡献璀璨明珠  图为薛其坤院士在实验室（新华网发） 新华网北京1月8日电（凌纪伟）在1月8日召开的国家科学技术奖励大会上，中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤领衔，由清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”摘得2018年度国家自然科学奖一等奖。 量子反常霍尔效应的首次实验发现，是世界物理学界近几年最重要的实验进展之一。诺贝尔奖获得者杨振宁评价其为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。 巨大的实验挑战成就非凡的意义 量子霍尔效应是现代物理学的重要研究领域，与其相关的研究发现曾四次摘得诺贝尔奖。 与宏观世界不同，微观世界的运行由量子力学规律支配。能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料让科学家们梦寐以求。然而，从真实材料中发现量子反常霍尔效应，在实验上一直没有取得任何进展。 薛其坤说，要观察到量子反常霍尔效应，需要材料的性质同时满足三个苛刻条件：绝缘的、拓扑的、磁性的。但在实际材料中，实现以上任何一点都具有相当大难度，更别说同时满足三点。“就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度、体操运动员的灵巧一样。”用薛其坤的话说，这是一个“自相矛盾”的要求。 幸运的是，2008年，薛其坤团队抓住拓扑绝缘体这个新领域的契机，在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制，并利用扫描隧道显微镜揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化独特性质。 2009年，薛其坤领导的实验团队对量子反常霍尔效应的实验进行攻关。2012年底，团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化。为了实现这一基础科学领域的重大突破，薛其坤和他的团队花了整整4年时间。 什么是量子反常霍尔效应？薛其坤形象地说，该发现可以改变电子的运动轨迹，使其像在高速公路上行驶的汽车一样有序。 这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，解决电脑发热、能量耗损等问题。对普通大众来说，最直接的影响就是有可能摆脱手机或电脑发热、耗电快、运行慢等困扰。 团队合作只为攻克一个不确定目标 重大实验发现是对人类智慧的一个巨大挑战，这对研究团队的科研素养和积累，以及实验技术水平的要求都非常高。 每每听到有人称赞量子反常霍尔效应的发现是多么了不起，薛其坤都会回一句，“这是我们团队精诚合作，联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉”。在他看来，“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。 薛其坤称自己的团队是“世界上最有战斗力的团队”，因为这些科学家在各自领域都是一流的“专业选手”。如今大家为了一个共同的不确定的目标，从单兵作战走到了一起。 “瞄准同一重大科学目标，不同擅长但相对独立的单元科研团队的成员间形成了高效合作，其深度和持久性在国内外也不多见。”薛其坤自豪地说。 自2009年起，在薛其坤带领下，这支团队在近4年的时间里，生长和测量了超过1000个样品。现在，这个诞生于中国本土的优秀科研团队仍然在为量子反常霍尔效应的应用前景奋斗着。 薛其坤表示，任何一个现象从原理性的发现走到应用，都需要不同领域科学家和工业界的共同努力，他和团队愿意与更多人合作，努力将这个领域发扬光大，不断推动它向应用方向发展。 做基础研究离不开强大的国家支持 谈到从事这个项目最大的挑战，薛其坤认为并非来自技术层面，而是目标的不确定性。“我们也不知道沿着这条路走下去到底对不对。” 展开实验的4年里，团队成员通过一次次的生长、测量、反馈、调整，争取每一步都做到极致。背后支撑实验一步一个脚印走下去的是精密的试验系统，这是实验水平和科研能力的集中彰显。  图为薛其坤院士在实验室（新华网发） 薛其坤团队的实验室位于清华大学一栋普通实验楼内，踏入实验室，映入眼帘的是密密麻麻摆放着的科研仪器，其中有五套精密实验系统在世界范围内绝无仅有，这些仪器成就了实验技术的最好水平。 为保障薛其坤团队的研究开展，清华大学通过各种途径创造最优工作环境。“这在很大程度上得益于最近20年中国对基础研究的重视和大力投入。”薛其坤说。 量子反常霍尔效应的发现，堪称我国在基础研究上的一个重大成果。薛其坤认为，日益强大的国力、良好完善的科技政策、科学系统的科技规划、催人奋进的创新氛围是基础和保障。 建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。摘取这颗明珠，一直是薛其坤团队科研道路上的动力与使命。量子反常霍尔效应的发现，就是薛其坤团队为人类科学知识宝库贡献的一颗璀璨明珠。 “为人类发展和科学进步做贡献，同样是一个国家强大的标志。”薛其坤说，“科学技术应用无国界，中国科学家应该为人类命运共同体的建造，为世界科学的进步贡献自己的力量。” “考研3次，读博7年”的清华大学副校长薛其坤： 既然不是天才，那就做好“笨人” 薛其坤有个外号，叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道，早上7点进实验室，一直干到晚上11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。 2016年9月获未来科学大奖“物质科学奖”，2017年1月被评为2016年度最具影响力的十大“科技创新人物”，2017年5月获全国创新争先奖章……公众视线中的薛其坤，是一名优秀的物理学家，也是“明星校长”。 从1999年入选中科院“百人计划”回国起，薛其坤一直率领团队在量子物理研究领域中潜心探索。2012年，他带领的团队发现“量子反常霍尔效应”，引起轰动。 然而，难以想象，在薛其坤闪耀的科研成果背后，却是“考研考了3次，读博读了7年”的坎坷经历。从一名普通的农家子弟成长为中科院院士，薛其坤的经历与心得引人深思。 “对科学朴素的向往，让我走到现在” 周日的早晨，阳光透过窗户洒进了薛其坤位于清华物理系4楼的办公室。这间屋子不大，书橱里、书桌上、沙发旁堆放着一摞摞的书籍和资料，书与书的间隙之间，是薛其坤这些年来参加学术会议的参会证和捧回来的奖状、奖杯。 在外界看来“拿奖拿到手软”的薛其坤向记者“坦白”，除了“考研考了3次，读博读了7年”外，自己在科研道路上还遭遇过许多大大小小的“坎儿”。 “但是，对科学朴素的向往，让我走到了现在。”薛其坤抿了口咖啡，缓缓道出。 上观新闻：您小时候想象过自己将来会成为一名物理学家吗？ 薛其坤：完全没有。我出生在山东省沂蒙山区的一个小村庄，家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时，农村条件还相对落后，大人们都在为生计而努力，我每天看到的就是父母起早贪黑干农活的背影。学校里也和现在很不一样，同学们都是跟着学校的安排念书，没人想着要加课补课，我哪会有什么长大以后成为物理学家的想法？ 人生中第一次对未来有些概念是在初中后期，当时，国家恢复高考的消息传到了我们这里。我记得老师对全班同学说了一句：“同学们，高考恢复了，好好学习就有希望考上大学，接受高等教育。”听完之后，同学们都很兴奋，我也感觉要抓住这个机会，这才定下理想———走出大山，读大学。 上观新闻：1980年，您考入了山东大学光学系，为什么会选择这个专业？后来又为何想到继续读研？ 薛其坤：山东大学是山东省的最高学府，去济南是很自然的选择。但专业的选择，我只记得那时候物理成绩考得好，老师给我推荐了几个系，我就照着填，其中就包括光学系。被哪个系录取，其实对我们来说差别都不大。当时由于信息的匮乏，各个专业是学什么的、学成后将来做什么工作，我们一无所知。 回想起来，当时想要考研的想法很单纯。读大二的时候，有一天我看到学校的报栏上贴着一些招生宣传资料，一看就挪不动步子了，心里觉着“研究生”这个词很神圣。我想，如果当了研究生也许就能做研究人员、做科学家，这是多么幸福的一件事啊。 于是，怀着对科学朴素的向往，我开始在平日的学习之外，抽时间准备考研。用现在的话说，这就是我的“初心”。 上观新闻：但您的考研路并非一帆风顺，头两回都遭遇了失败，第三次才考上中科院物理所。一般的人遇到这种压力，可能会气馁甚至退缩，您是怎么坚持下来的？ 薛其坤：我不知道别人是怎样，但我自己从小在相对贫穷落后的环境下长大，艰苦的生活锻炼了人的意志，所以我的性格其实是相当乐观坚强的。 头两回考的分数不好，我也有过不愉快，可是这种情绪不会持续几分钟。很快我就会想，自己是不是准备不够充分，对题目的风格是不是不太适应，如果是这样，那就好好准备再努力一把呗。我也会自我鼓励，肯定一下自己之前达成的目标，然后投入新的目标。 不管从事哪一行，其实都应该学会正视眼前遇到的困难，不要被情绪所左右，没有过不去的坎。 上观新闻：是否可以说，正是这种对科学的朴素向往和乐观坚强的性格，支撑您从济南走到北京，从日本走到美国，一直走到了今天？ 薛其坤：对。我们这一代人的特点是不去想太多遥远的未来，而是专心做好眼前的事。内心始终相信，有了向往，足够努力、坚强，路就能一直走下去。而且，随着国家日益强大、开放，个体也有了越来越多的机会，能追逐之前所难以实现的梦想。我的求学之路这样丰富，也离不开这一点。 “7-11院士”是如何炼成的 薛其坤有个外号，叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道，早上7点进实验室，一直干到晚上11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。 “7-11”的养成源自薛其坤读博期间在日本学习时接受的“魔鬼训练”。1992年，到日本东北大学金属材料研究所报到的第一天，薛其坤就拿到了一份实验室内部规则，除了一些注意事项，上面还明确规定了作息时间：早7点，晚11点，全员遵守，不得违反。薛其坤回忆，要是有人早离开，导师的脸色就会很难看。 谈及当年艰难的适应过程，薛其坤至今“心有戚戚焉”。但他也说：“这种脱胎换骨的改变，关乎身体，更关乎心灵。” 上观新闻：您把当年的经历称为“脱胎换骨”的改变，具体怎么个变法？ 薛其坤：彻头彻尾的改变，从“自由散漫”的生活作息，变成像时钟一样准确的作息。 从小我就不算学习特别刻苦，在同学之中还属于贪玩的。在国内读大学的时候，我每天会按时上好每一节课，按时完成作业。空余时间就用来休闲娱乐，比如花2小时踢踢球、做运动，或是约着同学一起下棋、看录像。但到了日本，生活在强大的外压下变得极其简单，每天都是实验室和宿舍“两点一线”，我整个人的身心一下子都扑到了科研上。 上观新闻：去之前，您对那里的科研生活的艰苦有心理准备吗？ 薛其坤：出发之前，我大致知道日本实验室的规矩很严，但从没有想过会如此严苛，对“7-11”更是毫无心理准备。 我原本想着，去日本学习可以接触一些国内没有的先进科学设备，还可以四处转转，增长见识。没想到，是我“想太多”。到那儿的第一年，别说是其他城市，就连东北大学所在的仙台市是什么样，我都了解不多。 那段封闭的日子里，我经历了语言不通、技术不熟、睡眠不足的“磨难”，每日为了能生存下去而挣扎。 上观新闻：但后来，这套需要执行者极度自律的作息，您坚持了整整20年。当您成为教师之后，有这样严格要求学生吗？ 薛其坤：我没有规定他们必须要完全遵守“7-11”的作息，但是对他们在学术规范、学术态度上的训练，是丝毫不含糊的。如果有学生犯了错，我会严肃批评教育，把他犯错误的原因分析清楚，让他发自内心地理解。比如说，学生论文中多出来的空格、错用的标点符号我都会一一指出，手把手地给他分析如何改正。有人说这样很浪费时间，但我不认同，对学生的教育没有“浪费”之说，日后在他们身上自然会看到成果。 我现在的坚持，和导师当年对我的影响有关。在樱井利夫老师之前，我在中科院的导师陆华也用他的以身作则，深刻地教育了我。遇到陆老师之前，我和其他同学在实验室里关注的，只是如何在科研上尽快做出成果来。而对于成果之外的，比如实验步骤的规范和实验室的整洁之类的细节关注甚少。但跟陆老师久了，看着他做每件事都井井有条、整齐规范，耳濡目染中我也就改变了。 我自己成为老师之后，把当年导师们对我的正面影响传递给了学生们。虽然他们在刚开始时“颇有微词”，但我发现，他们毕业做了老师、有了自己的实验室之后，又把这套传统传承了下去。 上观新闻：已故数学家吴文俊先生曾经说过，“数学是笨人学的”。这让很多人大为不解———脑袋瓜聪明才能研究数学，笨人怎么学数学呢？只有天分高的聪明人才能从事科研、搞好科研。您怎么看？ 薛其坤：自古以来，人们就对“神童”、“天才”津津乐道，追捧不停。的确，“神童”和“天才”很优秀，但这并不意味着只有他们才能去研究数学、搞科研。我想，吴老所说的“数学是笨人学的”，指的是在天赋之外，后天的努力和坚持更加重要。科研同样如此。大家不要认为科学就一定是高深的，再高深的学问，也是在找到方向之后，一步一脚印，慢慢从基础向高深推进的。 既然不是“天才”，那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”，才是不容易的。 真正做学术的人不会抄袭 薛其坤办公室一隅，放着一个地球仪。工作之余，他喜欢转动地球仪，观察不同的地区，用山东话来说，思考些“科学家‘好问’的事儿”。比如，世界上最窄的运河在哪，它为何会建造于此等等。 对薛其坤来说，靠观察地球仪来满足自己对自然环境的喜爱，着实是不得已。 出任清华大学副校长后，薛其坤越来越忙，分管学校科研工作的他，总有开不完的会。但即便愈发忙碌，即便有人不太理解，他心里仍然觉得，自己的这个“大胆转型”是值得的。 上观新闻：您从2013年起开始担任清华大学副校长，同时继续领导着自己的科研团队。有一种声音认为，行政工作会对科研工作产生影响，您怎么看？ 薛其坤：这种担心可以理解。这份责任重大而繁忙的行政工作确实对我本身的科研有所影响，但从事管理工作的这次转型是我经过深思熟虑的。 我曾在一次演讲中表示，中国的科学研究处在黄金时代，而这样的时代恰恰需要更多的人才去绘制更多天马行空的“中国梦”、“科学梦”。我希望能够利用自己在科研方面的多年经验和体会，在管理岗位上促进学校整体科研工作的一点提升。目前来说，这比我自己的科研成就获得提升更为重要。 其实，大家也不用太担心。我的团队里，一批成熟、肯干的年轻人已经成长了起来，现在的分工很明确：他们负责在一线把实验做好，而我更多地把握一些宏观的方向。在我看来，这样的配合和平衡是比较合适的，也有利于培养未来的学术带头人。 上观新闻：凡是有关高校的问题，社会关注度总是很高。有人说，高校的问题在一定程度上就像是一面镜子，反映了社会的问题。比方说，过度行政化问题。有人呼吁要“教授治校”，并且诟病“外行管内行”。您对此有何见解？ 薛其坤：我觉得，绝对不能把过度行政化的问题简单归纳为“外行管内行”。事实上，“内行管内行”也不完全等同于“教授治校”。 “治校”是管理工作，涉及组织、协调方面的能力，是一种“专业”。教授之所以为教授，是因为得到了学术上的认可，所以“治学”是没问题的。但是，行政管理与治学所属范畴不同，有学问的教授不一定能够干得好管理工作。 因此，我认为没有必要盲目推崇“教授治校”，而是要充分发挥高校内不同岗位上不同的人的力量，相互合作，方能有所裨益。 上观新闻：前一阵，沸沸扬扬的学术论文抄袭事件又引发了热烈的讨论。对于维护学术诚信和学术规范，您有何建议？ 薛其坤：真正做学术的人是不会抄袭的，因为学术的基础是实事求是。出现论文抄袭事件，反映出了我国目前学术评价体系的不完善。 我是中国科协道德委员会的一员，曾参与讨论100多篇医学论文抄袭、代写的处理问题。了解了情况之后，我感觉这与我国目前的医疗现实有关系。 一方面，医生要追求职业发展，要晋升就要有论文；一方面，在我国医疗资源还无法完全满足人民需求的当下，医生往往都是超负荷在工作。连看病都忙不过来，很难保证足够的时间潜心研究、发表论文。这就给了不法分子可乘之机。实际上，医生做学术研究，加深对医学问题的了解，对临床水平的提升是有好处的。我也相信，如果能够有宽裕的时间，我们的医生也一定会去做学术的。 所以我提出，这个问题是发展中的问题。我不认为应该一棍子把现有的评价体系“打死”，因为发展的速度快了，难免遇到这样那样先前没有考虑到的问题。关键在于，我们现在能够重视这个问题，组织力量去研究出一个更科学的评价标准，尽快地把不完善的地方补上、做好。 这个时代不缺明星，缺的是自信 2017年1月15日晚上，首届未来科学大奖颁奖典礼在北京国贸三期的宴会厅隆重举行。钢琴家李云迪、小提琴家吕思清的演奏为颁奖典礼开场；两位诺贝尔奖得主、几十位国内外科学家，包括马化腾、李彦宏、丁磊、徐小平在内的十多位中国企业家盛装出席。 最后在红毯上亮相，引来全场阵阵掌声的，是首届大奖得主薛其坤和卢煜明。 让科学家成为年轻人心目中的“明星”，是未来科学大奖想要做的一件事。但在薛其坤看来，科学家当明星是一回事，让公众尊重科学、热爱科学是另一回事。 上观新闻：在传统的观念中，人们对科学家的印象似乎就停留在戴厚底眼镜、邋邋遢遢的“书呆子”形象上。而您领取未来科学大奖的时候，穿着西服、打着领结走了红毯，俨然明星风范。您认为，随着时代的变迁，社会对科学家的认知有所改变吗？您是如何看待让科学家成为“明星”的想法的？ 薛其坤：社会发展到今天，科学家在人们眼中的形象肯定是从当年的“呆板”走向了现在的多元。科学家群体自身也希望和所有人一样追求美好的生活，不要为了科学“忘我”到“四体不勤、五谷不分”。 我认为未来科学大奖提出要让科学家成为年轻人心中的“明星”，代表了一个好的方向。重点不在于给多少奖励，而是通过这种仪式感带动起崇尚科学、尊重科学家的社会氛围。 在国家大力实施创新驱动发展战略的当下，科学家作为科技强国梦的实践者、引领者，理应得到重视。但是，这种“明星”不等同于娱乐明星，不需要太高的媒体曝光率。人们对他们的关注应集中在精神品质和科研成就上，不能“跑偏”了。 具体而言，科学家可以通过从事更多的科普工作，在与公众的交流过程中普及科学知识，成为年轻人心目中的榜样和权威。推而广之，其他的专业技术人员也可以通过互动的方式走入更多人的视野，传扬“工匠精神”。 上观新闻：如果让您向公众开展科普教育，讲述科学的魅力，您会怎么描绘？ 薛其坤：我会把科学的魅力比喻成人的好奇心的满足。这种好奇心被满足的魅力不仅吸引孩子，也吸引成年人。 探索科学的过程就好比是打游戏，每破解一关的难题，解锁出新的一关，就会满足好奇心、获得成就感。尽管这个比喻不一定恰当，但在一定程度上诠释了科学家经常享受到的快乐，我希望更多的人都能享受其中。 上观新闻：科学家应该享受到科研带来的幸福。但不知您是否有所感觉，近年来国内似乎弥漫着一种“诺奖焦虑症”，即便在屠呦呦获得诺奖后也没有得到根本缓解。 薛其坤：关于“诺奖焦虑”，我感觉很多时候是炒作得太厉害了，还是要理性去看待。大家不能认为拿到某个科学奖项就一劳永逸，它仅是对科学家的一种激励，国家的科学实力真正强大起来、科研不断突破，才是更重要的。 我们这个时代不缺“明星”也不缺“偶像”，缺的是自信。这种自信不是盲目自大，而是文化的自信、科学的自信，是敢于冲破单一评价标准，追求自己梦想的自信。我想，我们的科学家应该志存高远、眼界开阔，不要眼睛光盯着奖项，而要把做出最好的科学研究作为奋斗目标，自信前行。 薛其坤： 1963年出生于山东省临沂市蒙阴县，1994年获中国科学院大学物理研究所理学博士学位，中国科学院院士，清华大学党委常委、副校长。 2017年07月10日 15:18:13 清华新闻网 国家自然科学奖一等奖——“量子反常霍尔效应的实验发现” 量子反常霍尔效应的实验发现 2019-01-08 11:02:01 来源： 新华网 发现量子反常霍尔效应 为人类科学知识宝库贡献璀璨明珠 http://www.xinhuanet.com/tech/2019-01/08/c_1123960391.htm 来源：上观新闻 2017-07-07 吴越 “考研3次，读博7年”的清华大学副校长 薛其坤：既然不是天才，那就做好“笨人” http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/9659/2017/20170710151813397679495/20170710151813397679495_.html |
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