“那一時(shí)刻，我們看到我們深刻的信念，在大自然里果然是被實(shí)現(xiàn)了”

　　普通人幾乎沒人知道什么叫“量子反?；魻栃?yīng)”，但1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的“霍爾效應(yīng)”，實(shí)際上已經(jīng)被應(yīng)用在普通人生活的方方面面：測(cè)量磁場(chǎng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)事故，也可以生產(chǎn)新的器件，比如汽車的里程表、速度表，以及點(diǎn)火系統(tǒng)。

　　這一次，薛其坤團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)家眼中，更是一個(gè)極為美妙的現(xiàn)象。

　　在擺滿儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)物理系教授王亞愚試圖通過一種通俗易懂的方式向外界解釋他們的研究。他手持的筆記本電腦屏幕上播放著動(dòng)畫：一個(gè)透明的長(zhǎng)方體物件內(nèi)，許多玫紅色小顆粒正在橫沖直撞。

　　“如果這是一個(gè)一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料，那里面的電子運(yùn)動(dòng)是非常無序的。它們雜亂無章，互相碰撞。這就引起電子器件的速度降低，而且會(huì)使能耗增大。”

　　雖然肉眼看不到這些到處亂跑的電子，但誰都會(huì)在生活中感受到它們的存在，譬如，盡管有風(fēng)扇“呼啦呼啦”地吹，工作多時(shí)的筆記本電腦卻還是熱得燙手，反應(yīng)緩慢得像老牛爬坡。

　　但這些粒子卻是可以被科學(xué)家們“管”起來，順著一定規(guī)律在材料內(nèi)老老實(shí)實(shí)排著隊(duì)跑步的。

　　“如果我們?cè)诓牧仙霞右粋€(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，電子運(yùn)動(dòng)就變得有規(guī)律了——它們?cè)诓牧系膬啥?，像高速公路上的汽車一樣，這么反向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候，電子運(yùn)動(dòng)速度就變快了。”王亞愚教授解釋說。

　　動(dòng)畫中，玫紅色小顆粒乖乖地排在材料兩邊，一邊的隊(duì)伍向前跑，對(duì)面的隊(duì)伍則向后跑，就像公路上遵守交通規(guī)則的往來車輛，在不同的車道里暢通無阻。

　　在上世紀(jì)80年代，這種量子霍爾效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青在研究極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)。這一成果讓他獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　只是，要讓肉眼都看不到的電子像動(dòng)畫中那樣規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)：至少得是一個(gè)一人高，冰箱一般大小的設(shè)備。運(yùn)作起來非常麻煩，而且極其昂貴。

　　顯然，這不是一件能走出實(shí)驗(yàn)室的“降溫提速設(shè)備”。

　　這也就是為什么薛其坤的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的量子反?；魻栃?yīng)是這么重要、又是這么優(yōu)美了：在零磁場(chǎng)中，材料的反常霍爾電阻達(dá)到量子電阻的數(shù)值，并形成一個(gè)平臺(tái)，也就是說，在微觀世界中，那些原本亂沖亂撞的電子們正循著“高速公路”暢通有序地運(yùn)動(dòng)著。這一次，沒有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。

　　這一場(chǎng)面證實(shí)了科學(xué)界等待多年的預(yù)言。

　　“這是量子霍爾家族的最后一位成員，”一位美國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上撰文稱，“不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，使人們終于能夠完整地研究量子霍爾效應(yīng)的三重奏了”。

　　在得知這一結(jié)果的時(shí)刻，薛其坤的合作者，曾經(jīng)預(yù)言過自旋量子霍爾效應(yīng)的斯坦福大學(xué)教授張首晟想起了老師楊振寧曾對(duì)他們說過的話：任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)，都早已存在于自然界中。

　　“在發(fā)現(xiàn)的那一時(shí)刻，我們看到我們深刻的信念，在大自然里果然是被實(shí)現(xiàn)了，這種感受是科學(xué)家最最大的一種回報(bào)。”

　　那是2012年的10月12日，距離霍爾最初發(fā)現(xiàn)這種電磁效應(yīng)已130年有余，距離薛其坤的團(tuán)隊(duì)開始實(shí)驗(yàn)，也已整整4年。

　　“吃飯，睡覺，做研究”

　　在同行中，已經(jīng)有300多篇SCI論文發(fā)表的材料物理學(xué)家薛其坤以勤奮刻苦著稱。他有一個(gè)“比‘院士’更響亮的名號(hào)”，叫“7-11”：早上7點(diǎn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作，一直干到晚上11點(diǎn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的4年中，他的團(tuán)隊(duì)先后嘗試了1000多個(gè)拓?fù)浣^緣體樣品。

　　磁性拓?fù)浣^緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理想系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)量子反常效應(yīng)，對(duì)材料的要求非常高：這種材料必須具有拓?fù)涮匦裕哂虚L(zhǎng)程鐵磁序，體內(nèi)則必須是絕緣態(tài)。按科學(xué)家的解釋，就好比要求一個(gè)人具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧。

　　在薛其坤的指導(dǎo)下，研究者們用于實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣^緣體樣品是以“原子”為單位的：在100萬個(gè)原子中，只能有一個(gè)雜質(zhì)原子。這1000多個(gè)不到小拇指指甲蓋大小的特殊實(shí)驗(yàn)材料，都需要在超真空環(huán)境中慢慢長(zhǎng)出來。它們的厚度得是5納米，高1納米或是低1納米都不行。

　　分散在世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員，每天都通過電話和郵件交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隔兩三周就充分討論實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)。不過，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它們得不到任何有意義的結(jié)果。負(fù)責(zé)測(cè)量反常霍爾效應(yīng)的王亞愚教授形容，那時(shí)他們都“不大好意思見薛老師”。

　　但團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者薛其坤耐得住性子。他是過過苦日子的人。小時(shí)候，母親得到了一條珍貴的牛肉，舍不得吃，一定要等著出外上學(xué)的孩子回家，才把已經(jīng)風(fēng)干的牛肉慢慢在水里浸開，包了餃子吃。

　　很多年以后，這個(gè)從沂蒙山區(qū)走出來的農(nóng)村孩子還記得，年少時(shí)第一次進(jìn)縣城，如何被那里的繁華震驚。他對(duì)家鄉(xiāng)記者描述說，那心情就像臨沂人的一句笑談，“蒙陰就像是北京一樣，是個(gè)大地方”。

　　當(dāng)時(shí)這少年心中的“最高理想”，就是在那個(gè)蒙陰縣城中“找個(gè)工作，娶個(gè)媳婦”。這理想人生至少實(shí)現(xiàn)了一半，薛其坤后來確實(shí)娶到了一個(gè)蒙陰媳婦。

　　另一半人生也許有些超出他最初預(yù)想的軌道：在日本和美國(guó)留學(xué)，35歲晉級(jí)教授，41歲成為中科院最年輕的院士之一?！拔腋緵]想到自己會(huì)是個(gè)科學(xué)家……只想有事干，踏踏實(shí)實(shí)做點(diǎn)事?！?/FONT>