问鼎凝聚态物理之巅，薛其坤将如何回答钱学森之问？

2023-10-25 01:10

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如果说，中国学界已经来到了一个不错的节点，可以重新审视钱学森的世纪之问，那么兼具巴克利奖首位中国得主和南科大校长双重身份的薛其坤，自然是回答这个问题的不二人选。

北京时间2023年10月24日，美国物理学会宣布，南方科技大学校长、清华大学教授、中国科学院院士薛其坤获得本年度的巴克利奖（2024 Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）。薛其坤认为，获奖的原因主要是凭借拓扑绝缘体研究和在拓扑绝缘体中发现量子反常霍尔效应这样一个全新的物理效应。

巴克利奖，是国际凝聚态物理领域公认的最高奖项。此前虽曾有多位华裔物理学家荣获巴克利奖，包括崔琦、沈志勋、张首晟和文小刚等，但薛其坤是第一个获得该奖的中国物理学家。本次获奖，意味着我国凝聚态物理研究得到了国际学界的最高肯定。我们欣慰地看到，中国科学家奋起直追几十年，终于问鼎凝聚态物理之巅。

但这项成就来得并不容易。

2005年，钱学森曾对中国的教育和科技发展提出更高期待，他说：“现在中国没有完全发展起来，一个重要原因是没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的创新的东西，老是冒不出杰出人才。这是很大的问题。”

钱老的忧虑与期待被总结为著名的钱学森之问——“为什么我们的学校总是培养不出杰出的科技创新人才？”

在过去的十几年里，这个问题回响在中国学界，如鞭策、如警钟。

今天，薛其坤终于带领团队摘获巴克利奖，这是一个重要的肯定，也是一个耀眼的里程碑。而有着“中国高教改革试验田”之称的南方科技大学，正是由薛其坤担任校长。如果说，中国学界已经来到了一个不错的节点，可以重新审视钱学森的世纪之问，那么兼具顶尖科学家和南科大校长双重身份的薛其坤，自然是回答这个问题的不二人选。

薛其坤眼中的杰出人才

薛其坤认为，当今中国需要的杰出研究人才，至少需要具备四大要素[1]：

第一个要素，要具备扎实的理论基础，需要对专业理论知识的理解入木三分，对相关学科的理论和知识能够融会贯通，另外还要对专业实验技术仪器和方法的驾驭炉火纯青。新时代与旧时代的区别，在一百以前的时代，可能一个聪明的物理学家拍一下脑袋就会做出重大发现，而到了现在这个时代不行了，所以说对于实验技术仪器方法的驾驭甚至是发现变得极其重要。

第二个要素，是有卓越的科学直觉，有发现和解决问题的突出能力，有善于透过现象看本质的犀利眼光和归纳演绎的杰出辩证思维能力。

第三个要素，是要有探究自然奥妙的强大兴趣和解决科学问题的强大愿望。看到一个事，如果搞不懂的话，可能一年时间里茶饭不思也要干下去。那是一种“虽千万人吾往矣”、敢于挑战权威和现有知识的勇气，一种百折不挠、挑战极限的品格。

第四个要素，是要有为祖国强大和民族复兴献身的远大抱负和理想，敢于把解决科学问题作为报国的理想。

而从薛其坤自己的工作风格看，他常常用“追求极致”来要求自己和团队。[2] 他表示：“往往一个同样的实验做若干次，你才能把这个实验最终的结果确定下来，就是实验要做到极致。”贯彻这种工作理念的薛其坤，一天泡在实验室16个小时都是常态。他早上7点开始即在实验室埋首工作，晚上11点才离开，人送雅号“711院士”。这种专注而勤勉的工作风格，或许是他用实际行动表达出的杰出人才的“第五个要素”。

当前中国如何培养杰出人才

在薛其坤看来，中国杰出人才培养问题的解决，在于中国是否能建设世界一流大学与杰出学科。他说：“两百多年来人类科技创新的历史经验告诉我们，决定时代走向的科学发现和重大技术发明主要由少数杰出人才造就，这类杰出人才大多来自世界一流大学和杰出学科。……因此，我们能不能在14亿多的人口大国集中精力建设一批一流的大学和学科，培养出世界杰出的人才，是解答钱学森之问的关键。”

他明确了当代中国教育需要抓住的两个关键：

第一个关键，是对学术志趣的培养。也就是前文述及的“对自然奥秘的强大兴趣和解决问题的强烈愿望”。

他指出，“爱因斯坦在十几岁时就痴迷科学，阅读了大量书籍，自学了微积分。可以说，爱因斯坦的成长是凭借自己的努力。他痴迷于解决某些重要问题，甚至为之疯狂。为了找到问题的答案,他潜心读书，读难书，虚心向人请教。读书使他的认知得以升华，在他大学刚毕业时就开始思考一些科学上的疑难问题。爱因斯坦有一句关于好奇心的论述，即深思熟虑地去甄别、发现一个科学问题。我认为这个论述对当代中国的教育仍具有重要的启示作用。爱因斯坦对科学强烈的兴趣，对解决科学问题或者自然基本问题非常执着的信念，使他保持着强大的自学能力。理论物理学家杨振宁的成长经历，几乎和爱因斯坦如出一辙。杨振宁先生自幼博览群书,从小对数学抱有浓厚的兴趣，长大后选择投身物理专业。他说，从1925 年到1927 是物理学发生革命性变革的时期产生了量子力学······当时有些科普书给了我很多营养,尽管有些内容我不能完全理解，但对我很有帮助。这些书中对科学新进展的描述,许多奇妙的几乎是不可信的知识，使我对科学研究产生了向往。从爱因斯坦和杨振宁的事例可以看出，强烈的学术志趣或者好奇心是造就杰出人才的重要因素。”

第二个关键，是要学会发现和甄别好的科学问题。正如前文中爱因斯坦的议论。

薛其坤举例道：“引力波理论是爱因斯坦在一百年前提出来的。但通过引力波实验过程，能够让我们感觉到这是一个好的基础问题，包括涉及重要技术的好问题。引力波实验是多学科交叉，涉及了物理、天文、激光、精密仪器计算机技术、低温技术。它体现了大与小的统一、古与今的统一、强与弱的统一、时与空的统一、人与自然的统一，它让我们看到了科学的魅力，发现的力量，让我们感到人类的伟大和渺小。通过这个实验，不仅在科学研究方面取得了前所未有的成果，而且能够培养出一批杰出人才。好的科学问题往往是最基本的问题，是解答自然界本质的问题，是科学上的难题和怪题。”

那么，谁来发现和甄别林林总总的科学问题呢？薛其坤进一步描述到，能发现和甄别好的科学问题的人必须具备较高的学术品味、独立思考和判断的能力。而具备这些素质必须要做到厘清和掌握基本概念、广泛猎取和通读文献、积极与同行交流、独立思考问题。

毫无疑问，薛其坤勾勒的是一个杰出的、领军人物式的科学家。有这样的人物，或者说有这样的群体，为中国科学界发现、甄别出好的科学问题，是杰出人才得以不断孕育的第二个关键。

薛其坤还强调，这两个关键点的落实，离不开良好的人才成长环境。他表示：“在中国的教育体系和科技创新体系中，要努力为杰出人才营造适宜成长的氛围。一是要抓好中小学科学教育，强烈的学术志趣和好奇心是养成强大自我学习能力的重要因素，需要从小培养，家长和老师是激发和保护孩子的好奇心和求知欲的责任人，要鼓励孩子积极探索感兴趣的问题；二是营造学术文化氛围，科学精神是科技工作者在长期科学实践中积累的宝贵精神财富，要让科学理念和科学精神真正植根于青年科研人员的心中，让他们静下心来做有创造性的研究；三是要打造一套独特的人才培养机制，在收入分配、科研活动自主权、评价体系等方面制订有利于提高科研人员潜心科学的激励措施。“

中国在这些方面的尝试与探索已有时日。包括南方科技大学在内的一批“新型高校”，正是这种努力的体现。目前尚还年轻的南科大，被认为“肩负着为我国高等教育改革发挥先导和示范作用的使命”，是“中国高教改革的试验田”。

学校建立之初，南科大就采取了比较灵活的长聘、准聘制度，为青年教师匹配独立的实验室，以及与其他有经验的教师同样的研究生资源和科研经费，为他们独立开展科学研究提供舞台，因此吸引了众多优秀的年轻学者。而如今掌舵南科大的薛其坤，相信也有更大的空间与舞台，去为钱学森问题的解决给出更好的答案。

巴克利奖与薛其坤

中国科学院院士、清华大学教授、南方科技大学校长薛其坤

薛其坤，男，汉族，1962年12月生，山东蒙阴人，1984年9月参加工作，中共党员，理学博士，教授，中国科学院院士。主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理学、自旋电子学、拓扑量子物理和高温超导电性。曾获国家自然科学一等奖1项，获国家自然科学二等奖2项，获第三世界科学院物理奖、陈嘉庚数理科学奖、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖-物质科学奖、菲里兹·伦敦奖、全国创新争先奖章等奖励，入选“国家特支计划”杰出人才。2005年11月当选为中国科学院院士；2017年12月起任北京量子信息科学研究院院长。目前为教育部科技委常务副主任，中国物理学会副理事长，美国物理学会会士，是国际著名期刊Surface Science Reports、Nano Lett. Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics和 AIP Advances等的编委，National Science Review副主编和Surface Review & Letters主编。

巴克利奖是美国物理学会颁发的年度奖项，被公认为是国际凝聚态物理领域的最高奖，旨在表彰在凝聚态物理领域作出卓越贡献的科学家。薛其坤和美国哈佛大学教授 Ashvin Vishwanath 共同凭借“对具有拓扑能带结构的材料的集体电子性质的开创性理论和实验研究”（groundbreaking theoretical and experimental studies on the collective electronic properties of materials that reflect topological aspects of their band structure）而获奖。

凭借拓扑绝缘体研究和在拓扑绝缘体中发现量子反常霍尔效应的创新突破，薛其坤成为巴克利奖设立70年以来首位中国国籍的获奖者。巴克利奖的授予，是国际物理学界对薛其坤和他所率领的研究团队多年来在拓扑绝缘体及量子反常霍尔效应相关领域持续深耕、锐意创新，并取得不凡成果的进一步高度认可。

量子反常霍尔效应是凝聚态物理中的一个重要量子效应。长期以来，使其“现身”并实现实验观测难度极大，是无数研究者奋力追寻而不得的科学目标。

2009年起，薛其坤联合来自清华大学物理系、中国科学院物理研究所、美国斯坦福大学的多个研究组，组成攻关团队，开始一起从拓扑绝缘体研究方向尝试攀登这座科学高峰。

2012年底，在克服了一道又一道难关后，薛其坤和团队在全世界首次成功在实验上观测到了量子反常霍尔效应。该成果于2013年5月在美国《科学》（Science）杂志发表，审稿人予以高度评价，称之为“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

量子反常霍尔效应的实验发现的最终测量样品和数据

这一中国科学家在实验上独立观测到的重要物理现象，被视为全球基础研究领域的重要科学发现，是世界物理学界最为重要的实验进展之一，为后续国际凝聚态物理研究引领了新的方向。近年，国内外多支研究团队在此基础上取得了新的突破。

而在应用领域，量子反常霍尔效应及其无耗散边缘态，又将可能在未来被用于发展新一代的低能耗电子学器件，解决一系列瓶颈问题。

过去的十年间，薛其坤和研究团队对拓扑量子物理的探索从未停止，他们不断尝试提高观测温度、积极寻找新材料并取得了重要进展，同时将推动实验成果进入应用领域作为目标，力求助力国家信息技术革新。

未来方向

薛其坤接受采访表示，自己团队目前的首要目标是在液氮温区实现量子反常霍尔效应。而进一步更宏伟的目标，是在室温下也能够观测到这个量子现象。

基于量子反常霍尔效应和拓扑绝缘体的研究，他说，也会看到包括拓扑超导等一系列新奇的物理现象。

第二个研究目标是在拓扑量子物理之外。薛其坤团队近年来瞄准高温超导领域，正在组织人马对对高温超导的机理进行攻关。

“1986年发现高温超导以来，距离现在已经将近40年过去了，但是我们对高温超导的机理基本上是不清楚的。这也是凝聚态物理的一个世界性难题。”薛其坤说。

2012年，薛其坤带领清华大学物理系研究团队发现了单层铁硒与钛酸锶衬底结合而衍生出的界面高温超导。这一发现挑战了主流共识，并在2021年发表论文进一步提出独有创新观点。近年来，薛其坤带领南方科技大学、清华大学团队，集合团队攻坚作战力量，持续深耕这一领域。在高温超导机理研究中取得新的中国发现，是薛其坤和研究团队下一步的科学目标。