“人人那个都说沂蒙山好，沂蒙那个山上好风光……”伴随着悠扬的沂蒙山小调，中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，在9月8日下午的第八期“浦江科学大师讲坛”上正式开讲。
这位从沂蒙山区走出来的物理学家从未忘记故土。他说，正是简朴艰苦的年少生活，赋予自己勤奋坚韧的品质，使他能够坚持“7-11”式工作模式30年，并支撑他在攀登科学高峰的路上一路前行。
作为当代中国凝聚态物理领域的杰出科学家，薛其坤以其在量子反常霍尔效应和高温超导电性研究中的开创性成就赢得了学界的广泛认可，获得包括国家自然科学一等奖、国家最高科学技术奖、菲列兹·伦敦奖、巴克利奖等多项国内外重要奖项。
上海市政协副主席吴信宝出席讲坛并为薛其坤颁发“浦江科学大师讲坛”主讲人证书，复旦大学校长、中国科学院院士金力主持讲坛。上海市政协、市科技工作党委、市科委、市教委、市科协、顶科协等单位负责人，上海市各高校、中学师生及科研人员代表出席活动。
从学术“富矿”中挖出新的“珠宝”
“超导是物理学科学发现的富矿。”薛其坤介绍，过去113年里，共有五次诺贝尔物理奖授予超导研究的物理学家。身为科研工作者，他喜欢这种“富矿”，因为这种领域不仅蕴藏着丰富的科学发现，更能考验一个人的学术水平。
“超导体，首先必须是导体。导体电阻主要来源于原子振动对电子的散射。”薛其坤打了个形象的比喻：“温度低的时候，原子就不大运动了。就像一帮人做广播体操，中间有一个人想穿过去，这些人如果一直乱走，人很难走过去；但如果这些人都停下来，这个人就能找到空隙走过去。也就是说，温度越低，原子振动越弱，电阻就容易通过，所以超导一般会发生在低温。”
温度超过40K（零下233°C）的超导为高温超导。因此，在超导研究领域，提高超导体材料的临界温度（Tc）是关键。而霍尔效应的发现，打开了我们认识微观世界的又一扇大门。
霍尔效应指当电流沿纵向通过导体或半导体薄片时，如果薄片置于垂直方向的磁场中，就会在其两侧产生一个横向电压，即霍尔电压。这是由于载流子在洛伦兹力的作用下发生偏转所导致的。
而量子霍尔效应，则是霍尔效应的一种量子化版本。它是在强磁场下出现的一种特殊状态，其中霍尔电阻呈现出量子化的阶梯状特征。量子霍尔效应可以进一步分为整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，前者发生在二维电子系统中，后者涉及到了分数激发态。
薛其坤提到，尽管霍尔效应通常需要在极强磁场下才能观察到，但早在1880年，霍尔就在研究磁性金属的霍尔效应时发现了一个有趣的现象：即使不加外磁场，也可以观测到霍尔电阻，这种在零磁场中的霍尔效应被称为反常霍尔效应。
这一发现引发了另一个问题：既然存在量子霍尔效应，那么是否也存在一个量子化的反常霍尔效应版本？
量子反常霍尔效应正是这样一种现象，它不需要外加磁场即可观察到量子化的霍尔电阻。在量子反常霍尔状态下，材料表面的电子遵循着特定的轨迹运动，形成所谓的边缘态，这些边缘态允许电子沿着特定的方向无散射地流动，从而大大降低了能量损耗。
“如果超导体中是所有地方的电阻都为0，那么量子霍尔效应的材料就是内部的电阻无穷大，而边缘的电阻为0。”薛其坤解释道。
回溯超导研究发展历程后，科学研究究竟该怎么去定义？薛其坤分享了自己对科学研究的理解，把科学研究分成三个层次——“0到1”的发现、“1到10”的拓展以及“10到100”的突破。
“选择研究方向至关重要。”他为青年研究人员给出建议，“如果是在这样一个前沿方向上，你就可能有机会在原来巨人科学发现的基础上再做出新的科学发现。”
“高温超导探索的赛道，值得坚持下去”
如此重要的量子反常霍尔效应，是怎么被发现的？
为验证这一理论物理预言，2008年起薛其坤就开始带领研究团队探索量子霍尔效应在无磁场条件下的实现可能性。
量子反常霍尔效应的实现条件极为苛刻，需要一种具备拓扑特性、长程铁磁序和体内绝缘态三个条件的超薄膜材料。
“这是一种三不像的矛盾体，三个矛盾点是，大部分铁磁材料都是导电的，二维情形下很难实现铁磁性，以及磁性和拓扑很难做到共存。这就相当于，你要制备出一种像‘三项全能运动员’一样的材料。”薛其坤说。
基于这些要求，薛其坤团队与王亚愚团队、吕力团队合作，实验验证筛选了一系列磁性拓扑绝缘体。磁性拓扑绝缘体是一类独特的材料，它们在内部是绝缘的，但在表面或边缘展现出导电性，且这种导电性不受杂质或缺陷的影响，正契合产生量子反常霍尔效应的要求。
“在这项研究上，我们投入了四年多时间，制备了一千多种样品，参与项目的学生就有二十多个人。”在一步步尝试与优化后，2012年12月，薛其坤团队终于在一种磁性拓扑绝缘体，Cr掺杂的(Bi,Sb)₂Te₃薄膜上观测到了完美的量子化平台。这一成果标志着首次在零磁场条件下观察到了量子化的霍尔电阻，量子反常霍尔效应被发现了。
“这是观测成功当天我们团队拍摄的照片，用来纪念这项成果。”薛其坤笑着展示了自己与团队成员一起庆祝的照片。
2013年3月，这一突破性成果发表在了《科学》杂志上，引起了国际物理学界的广泛关注。诺贝尔物理学奖得主杨振宁教授高度评价这一成果为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。
当然，量子反常霍尔效应还有许多值得进一步研究。互动环节，中国科学院院士、复旦大学物理学系教授孙鑫提问：“在你们观测到的量子反常霍尔效应的基础上，能不能发现一个趋势，更上一层楼，观测到分数的量子反常霍尔效应？”
“这是该领域很多物理学家目前正在追逐的目标。”薛其坤答道，“值得让我们高兴的是，去年开始在新的材料中已经实现了分数化的量子反常霍尔效应，很多年轻研究者都在这个方向上取得了新的成绩。”
还有学生向薛其坤请教：“新兴的镍基超导体能否给未来的科研工作带来新的进展？”薛其坤答，国内外高校在这方面都做出了新的成果、突破，并鼓励年轻人“一定不要有思想上的包袱，不要因为一些科学研究的理论或过去的一些结果的限制而阻碍了对未知的探索”。
“在元素周期表上的任何元素中，都有可能发现新的高温超导，高温超导的探索这个赛场是非常广阔的，值得坚持下去！”他说。
“从年轻就要培养卓越的学术品味”
量子反常霍尔效应的发现为薛其坤带来了诸多赞誉，但他的工作目标并不止步于此。
他在该领域还有其他研究方向：“第一个方向是实验技术，包括分子束外延、扫描隧道显微学、角分辨光电子能谱这些设备，都是我的研究对象。另一个方向是新的前沿问题，包括表面物理、拓扑量子态、低维超导电性等。”
其中，液氮温区的超导电性问题是薛其坤团队重点攻关的目标，“上世纪八十年代开始，液氮温区超导问题就进入了学界的视野，但其原理是什么，现在还没有科学家能很好地解释，我们希望能在这一领域作出突破。2021年，我们就在这个方向发表了一篇重要的论文。”
谈到支撑自己多年科研求索的内生动力，薛其坤总会提起自己从沂蒙山区走出的人生经历。
“小时候，在沂蒙山区经历过的艰苦生活使我能经受得住‘7-11’式工作模式的考验。”他口中的“7-11”工作模式，就是每天12小时以上、每月26天以上、每年330天以上的高强度学术工作。坚持了三十年，这份异于常人的吃苦耐劳给他带来了丰厚回报。
特殊的时代背景，也给薛其坤带来了强大的使命感与责任感：“作为1977年恢复高考后的第四批大学生，我全程目睹了我国改革开放四十多年来的历程。二十世纪八九十年代，我有过八年留学生活，这让我深切感受到了我国与美国、日本等国的巨大差距，这树立起了我科研报国的信念，驱使我不断作出学术突破。”
“孟子曰：孔子登东山而小鲁，登泰山而小天下。”薛其坤以登山为喻，阐释心中的科研精神，“自然界的表现形式千奇百怪，难以捉摸。做科学也就像登山，只有勇于挑战高峰，才能认识自然、改造自然。我们应该满怀豪情，用无限的想象力和严谨的科学态度，登上科技之峰。”
作为南方科技大学校长，薛其坤同时强调人才培养的重要性：“除了自己攀登的责任，我们也要为党和人民培养出一批又一批的后辈登山者，回报自己的祖国。”
他寄语青年人要培养卓越的学术品味：“我认为杨振宁先生是学术品味与科学直觉的典范。他从很年轻的时候起，就大量阅读了各种优秀的学术著作和论文，这为他后来所取得的成就打下了基础。”
为此，薛其坤给了三点建议：“首先是多读文献，每篇文献都有可学之处。其次是多请教人，每个人也都有过人之处。最后是多听报告，每个学术报告都有创新之处。只要勤奋努力，日积月累，就能有所收获。”
