原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/74swjZbpqfFjwKhSo6eTsQ
原文轉(zhuǎn)載自：公眾號(hào)西湖大學(xué)WestlakeUniversity
薛其坤站上了學(xué)術(shù)會(huì)堂的講臺(tái)，面容清瘦，穿著白色短袖襯衫。此刻會(huì)場(chǎng)溫度27℃，杭州室外氣溫37℃。
在學(xué)術(shù)會(huì)堂入口大廳內(nèi)，西湖大學(xué)的博士生們正在用液氮給一塊超導(dǎo)體降溫，準(zhǔn)備演示超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。
幾顆不慎飛濺出的圓滾滾的液氮在演示用的白色桌臺(tái)上流淌，化作陣陣白霧，-196℃。
西湖大學(xué)湖心講堂2022夏季公開課，即將展開關(guān)于“世界的理性敘述”，但這位物理學(xué)家演講的開頭，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。研究活的材料比較復(fù)雜，所以我只能研究死的材料?！?/p>
薛其坤是著名物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士，也是南方科技大學(xué)校長(zhǎng)，這次他將從“工具、材料、目標(biāo)”三個(gè)層次來(lái)闡述他理解中的物理科學(xué)研究。
? ? ? 多年前，薛其坤和施一公同時(shí)是清華大學(xué)副校長(zhǎng)。在北京，兩人曾同住一個(gè)小區(qū)。有一次，薛其坤想看看施一公有多努力，是不是很早去學(xué)校，就在7點(diǎn)鐘到小區(qū)門口堵他，結(jié)果沒等到。第二天，薛其坤改到6點(diǎn)，還是沒等到。第三天，薛其坤5點(diǎn)鐘摸著黑站在小區(qū)門口，等到了剛從實(shí)驗(yàn)室下班回來(lái)的施一公。
? ? ? 這可能是物理學(xué)家的科學(xué)精神吧。什么才是科學(xué)？在哲學(xué)家波普爾看來(lái)，科學(xué)是一個(gè)持續(xù)試錯(cuò)的過程，科學(xué)必須是可以證偽的。
? ? ? 薛其坤有這股子勁。1962年出生在山東蒙陰的一個(gè)農(nóng)村家庭，本科畢業(yè)后考了3次才考上中科院物理所，然后花了7年才畢業(yè)。后來(lái)赴日本讀博士，薛其坤的“711教授”的外號(hào)就是那個(gè)時(shí)候來(lái)的——7點(diǎn)去實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)離開。
? ? ? 王國(guó)維說(shuō)過三重境界，薛其坤為伊消得人憔悴，也終于等到驀然回首。在2013年，薛其坤和他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，首次發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)，楊振寧稱之為“諾貝尓獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)”。
? ? ? 這次演講的主線，也是在霍爾效應(yīng)的百年之路上展開的。當(dāng)科學(xué)家講起故事來(lái)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)深?yuàn)W的物理并沒有那么難懂。
? ? ? 1879年，美國(guó)科學(xué)家霍爾在讀博士期間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)邊界之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差。這個(gè)現(xiàn)象被稱作霍爾效應(yīng)。
? ? 就是這么一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，讓后世科學(xué)家反復(fù)探索，前后持續(xù)了100多年，產(chǎn)生了多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。與其說(shuō)是實(shí)驗(yàn)，它更像是認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)裝置。
? ? 霍爾很聰明，他緊接著想到了從材料上進(jìn)一步思考問題，如果去掉外部磁場(chǎng)，導(dǎo)體本身自帶磁性呢？這就有了第二個(gè)著名發(fā)現(xiàn)——反?；魻栃?yīng)。
? ? ? 霍爾效應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛，你開車時(shí)的車速顯示，用的就是霍爾傳感器。但霍爾效應(yīng)的登峰造極，倒還不只有這些非常具體的應(yīng)用。在量子領(lǐng)域，霍爾效應(yīng)一次次刷新了人類的認(rèn)知。
? ? ? 1980年，德國(guó)物理學(xué)家馮·克里津發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。他延續(xù)了霍爾換材料的思路，用上了金屬―氧化物半導(dǎo)體。他發(fā)現(xiàn)霍爾電阻隨柵壓變化的曲線上出現(xiàn)了一系列平臺(tái)，與這些平臺(tái)相應(yīng)的霍爾電阻可以這樣表示：
H/n·e2
? ? 其中n是正整數(shù)1，2，3……。也就是說(shuō)，這些平臺(tái)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(lái)確定。
? ? 這就神奇了，在量子世界，霍爾電阻和材料沒有關(guān)系，違反我們?nèi)祟惖闹庇X。1985年，馮·克里津就拿到了諾貝爾獎(jiǎng)，僅僅5年時(shí)間，可以說(shuō)石破天驚。
? ? ? 那有沒有可能在非外部磁場(chǎng)下，實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)？換句話說(shuō)，反?；魻栃?yīng)真的存在嗎？雖然理論界有一些預(yù)測(cè)，但全世界各地的實(shí)驗(yàn)室，都苦于無(wú)法找到這樣的材料。
? ? ? 當(dāng)時(shí)認(rèn)為，拓?fù)浣^緣體有可能實(shí)現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)。拓?fù)浣^緣體左邊是一個(gè)導(dǎo)體，右邊是一個(gè)絕緣體，由于相關(guān)的量子效應(yīng)，絕緣的表面上出現(xiàn)了一層自發(fā)的導(dǎo)電層，有點(diǎn)像一個(gè)“圈”。
? ? ? 拓?fù)浣^緣體的制備已經(jīng)非常難，而要滿足量子反?；魻栃?yīng)，還需要讓材料具備磁性，但磁性和絕緣往往是不能共存的。
? ? ? 薛其坤打了個(gè)比方，你要找到一個(gè)人，打籃球超過姚明，跑步超過博爾特，滑冰超過羽生結(jié)弦。
? ? 盡管薛其坤團(tuán)隊(duì)配備了世界上最強(qiáng)大的三個(gè)儀器結(jié)合起來(lái)的系統(tǒng)，常常是半年一點(diǎn)研究進(jìn)展都沒有。當(dāng)時(shí)，清華大學(xué)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院、上海交通大學(xué)、斯坦福大學(xué)等院校機(jī)構(gòu)開展合作，20余名研究生共同努力，花了四年多的時(shí)間制備了1000多個(gè)樣品。
? ? 在量子反?；魻栃?yīng)下，材料會(huì)出現(xiàn)無(wú)損耗邊緣導(dǎo)電態(tài)。如果說(shuō)傳統(tǒng)材料是一個(gè)擁堵的十字路口，電子在里面橫沖直撞，會(huì)產(chǎn)生大量損耗和熱量。而無(wú)損耗邊緣導(dǎo)電態(tài)就像是電子的高速公路。那將是一個(gè)美麗新世界。
? ? 大家知道，摩爾定律已經(jīng)差不多失效了，人類想要大幅提升計(jì)算性能，必須突破物理瓶頸。而量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)，有望克服目前計(jì)算機(jī)發(fā)熱耗能等帶來(lái)的一系列問題。
? ? ? 通過薛其坤講霍爾效應(yīng)的百年故事，其實(shí)可以看到做科學(xué)研究的重要的三個(gè)層次：研究工具——儀器，研究對(duì)象——材料，研究目標(biāo)——思考和發(fā)現(xiàn)。
? ? ? 儀器和材料，是科學(xué)研究的礪石，而科學(xué)的思考和發(fā)現(xiàn)，更像是磨礪出來(lái)的針尖。
? ? ? 正如薛其坤提到的掃描隧道顯微鏡，它直接幫助人類“摸到”了原子。當(dāng)這臺(tái)儀器的“針尖”靠近表面材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生量子隧穿電流。通過掃描表面起伏，人類利用隧穿電流的敏感性，將原子給“摸到”、觀察到。
? ? ? 人的感官能力是有限度的，但科學(xué)的研究和思考是無(wú)限的。薛其坤用杜甫的詩(shī)句為演講結(jié)尾：蕩胸生曾云，決眥入歸鳥。
? ? 比世界更寬廣的，是生命的心胸和眼界。
