“天道酬勤，在所有错误都尝试过之后，最后走向成功，这就是追求极致的最大回报”。一直以来，薛其坤都用追求极致的严格标准来要求自己和学生，正是有了这种极限的努力、不断创新的精神，才有了实验上首次量子反常霍尔效应的发现。

少年立志：艰苦环境下成长起来的物理学家

年12月，薛其坤出生在山东省临沂市沂蒙县一个贫寒的农村家庭。家里孩子多，薛其坤是最有希望上大学的那个，父母把所有的支持都给了他。村里的学习条件简陋且艰苦，读书的课桌是把大树劈开做成的，凳子是自己从家里带去的。他说，那时候他的期望就是走出山区。

从课本上，薛其坤学到了牛顿、爱因斯坦，并认识到成为一名科学家能给社会带来巨大的福祉，于是他朦朦胧胧地有了成为科学家的想法。童年吃的苦也磨练出薛其坤坚强的性格，使得他在科研中无论遇到什么样的困难，都没有轻言放弃。

成绩优秀的薛其坤顺利地从蒙阴一中考入山东大学光学系激光专业。年大学毕业，他被分配到山东曲阜师范大学物理系。年9月，他又考入中国科学院物理研究所，成为凝聚态物理专业的一名研究生。“如果成为研究生能够让我更接近成为科学家的崇高理想，那么为了这个崇高的目标，做出再大努力都值得。”薛其坤说。

年取得硕士学位的他继续攻读博士学位。而他这个博士，一读就是7年。由于实验仪器不过关，读博的前5年几乎没有任何成果，甚至写不出一篇像样的博士论文。年作为中日联合培养学生，他东赴日本东北大学的金属材料研究所学习。这次远渡重洋，既是薛其坤科研路上的关键性转机，也是他人生中一次巨大的挑战和考验。

在日本的那3年是薛其坤人生中最艰难的一段时间。身处异国他乡，没有朋友，语言也不通。在治学十分严格的博导樱井利夫手下，薛其坤承受着极高的压力和工作强度，每周工作6天，早上7点来到实验室，晚上11点才可以离开。“那时候，每天就是三件事，吃饭、睡觉、搞科研。太困了，就坐在公共卫生间的马桶上悄悄眯一会。”

对家人的思念、被导师轻视、生活的苦楚一齐压在薛其坤的心头，使他无数次产生回家的念头。但他最终还是坚持了下来，并把严格的作息习惯带回了国内，还得了一个外号，叫“院士”。在年1月15日首届未来科学大奖的颁奖典礼上，获奖的薛其坤这样形容自己：“我就像一只小船，从非常简单的地方出发，到济南读大学，到孔子的家乡曲阜工作，又来到了我们的首都北京读研究生。然后东渡日本的仙台，和鲁迅先生做校友，留学、学习。之后又到美国做博士后。在地球上转了一圈以后，又落脚于北京，落脚于清华大学。今天我代表我的团队走到了这个崇高的舞台上。我想说能够登上这样的舞台，我是特别幸运的人。”

量子反常霍尔效应：物理学界的“新时髦”

在物理学界，霍尔效应是一个非常重要的研究方向，与霍尔效应相关的研究都斩获了诺贝尔奖，冯·克里津获得年诺贝尔物理学奖，崔琦和史特莫获得了年诺贝尔奖。英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，斩获年诺贝尔物理学奖，年获得诺贝尔奖的戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨的研究都和霍尔效应有关。用薛其坤的话来说，量子霍尔效应是凝聚态物理领域最热门的话题，也是从业人数最多的领域，是物理学界的“赶时髦”。

普通导体中的电子运动往往是杂乱无章、高度无序的，电子和电子、电子和杂质处于不断碰撞之中，这导致了材料的发热和能量损耗。如果我们在导体两端加上电极，电子就会形成横向漂移的稳定电流；再在垂直的方向加上外磁场，材料里的电子由于洛伦兹力的作用，会跑到导体的一边形成积累电荷，产生稳定电压。

这一现象是由美国物理学家霍尔在年研究金属的导电机制时发现，所以也被称作霍尔效应。一百年后，德国物理学家冯·克里津从金属―氧化物半导体场效应电晶体（MOSFET）中发现了量子霍尔效应。他将硅MOSFET管加上两个电极，置于极强的磁场和极低的温度之下。实验数据表明，材料的横向电阻随磁场强度增大而增大，还出现了一系列平台。当横向电阻达平台时，纵向电阻为零。这一现象背后的物理机制简单来说，就是在洛伦兹力的作用下，导体内部的电子会在原地打转，也就不参与导电；而边缘上的电子转圈转到一半就撞到了边界，只得以做半圆运动的方式不断前进。边界上的电子几乎不与其他电子碰撞，也就形成了几乎不被干扰的半圆形跳跃的单向导电通道，电子如同一枚发射的子弹迅速无阻地直达目的地。

我们可以把量子霍尔效应想象成电子世界的“交通规则”，它可以让电子整齐排列在各自的跑道上“一往无前”地运动，电子运动轨迹高度有序，从而大大减少碰撞和发热，降低能量损耗。但是量子霍尔效应需要非常强的磁场，而产生磁场又非常困难。那么有没有一种方法可以不需要磁场就能产生量子霍尔效应呢？这种无须外加磁场的量子霍尔效应被称为量子反常霍尔效应。自年起不断有理论物理学界提出各种方案，但实验上没有任何进展，是物理学界追逐的“新时髦”。

从理论到实验：制备实验材料的艰难路途

年，华裔科学家张首晟等从理论上提出Cr或Fe磁性离子参杂的拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。根据导电性质的不同，材料可以分为导体和绝缘体两大类。拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，内部绝缘，表面却允许电荷移动。它的表面导电通道不受表面形貌和非磁性杂质因素的影响，是能够稳定存在、能量耗散极低的理想导体。如果在其中掺入磁性原子形成长程铁磁序，这样无须外加磁场就能够形成稳定的、基本没有耗散的量子反常霍尔效应。

但是，能否在实验中证实这一理论上美好的科学畅想？

一切都是未知数，但该效应一旦被发现，将一定会是物理学史上浓墨重彩的一笔。许多世界顶级的实验室都争相沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应，日本的东京大学、德国的维尔茨堡大学、美国的普林斯顿大学……薛其坤的团队也不例外。

作为长期从事量子物理研究的科学家，薛其坤最早是在国际学术会议上了解到量子反常霍尔效应的理论进展。他的科研直觉敏锐地嗅到这将会是一个很重要的研究方向。回去后，薛其坤就召集了几位年轻的老师组成青年团队，他说：“国际上有理论预言可以在磁性拓扑绝缘体中寻找量子反常霍尔效应，咱们一起围绕这个重大科学目标来进行攻关，发现这个重大的量子效应。”从这时起，薛其坤院士领导的实验研究团队与清华大学、中科院物理所、斯坦福大学的研究者合作，对量子反常霍尔效应的实验实现进行攻关。如何用实验验证量子反常霍尔效应呢？其关键是制备出结构类似于石墨烯那样层层平整的纳米材料。

在实验中实现量子反常霍尔效应必须满足三个条件：第一，拓扑绝缘体材料的厚度必须控制在4~5nm之间；第二，该样品必须通过磁性离子掺杂来实现铁磁效应；第三，样品的体态必须处于绝缘态。这三个条件缺一不可，但同时达成这三个条件非常困难，就是一个人“既要有姚明的高度，又要有博尔特的速度”。面对如此刁钻的材料要求，墨守成规的路子是行不通的。从小就立志成为科学家的薛其坤深知，做科学研究，必须不断攀登、不断创新，因循守旧只能是死路，要想成功就必须一点一滴地去开拓新道路。

薛其坤团队用来实验的样品，是用原子一层一层铺上去的；5nm的厚度，相当于头发丝的10万分之一，每制备一个都非常不易。4年来，薛其坤团队先后制备了多个这样的样品。没有一蹴而就的成功，每一次成功背后是次的失败。每一次实验失败后，薛其坤就带领着团队改进样品、创新方法；又失败了，再改进、再创新。从薄膜生长，到磁性掺杂、门电压控制，再到低温输运测量……薛其坤带领着团队克服了重重阻碍和难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控……利用分子束外延方法，他们终于生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体薄膜。美国、日本的科学家都没有制备出来的材料，薛其坤做出来了。能否在这种拓扑绝缘体材料上观测到量子反常霍尔效应？薛其坤和他的团队仍然面临着挑战。

出于偶然的必然成功：量子反常霍尔效应的发现

“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，就是把实验做到极致。”薛其坤不仅在生活和科研中一直践行着追求极致的宗旨，他还将追求极致的作风推及到他所有的学生身上，实验室的每一个学生都贯彻了这股“极致”之风。

年10月12日本是平凡无奇的一天，薛其坤回家稍微早了一点。这天实验室轮到薛其坤课题组的博士后常翠祖值班，他和往常一样进行重复了千百次的实验，摆弄那些精密复杂的仪器。不一样的是以往为了保护样品，要在运送时加一层膜。然而那次因为偶然的原因没有加上膜。但正是这次偶然，引出了一个必然的结果。观测量子反常霍尔效应的实验流程早就烂熟于先后参与实验的20多个学生心里，常翠祖也不例外。在零磁场环境下外加一定栅极电压，常翠祖在极低温输运测量装置上对样品的磁电阻进行测量。这一次，样品的反常霍尔电阻终于达到了量子霍尔效应的特征值——欧姆！薛其坤还记得那天晚上10点30分左右，他刚停下车，就收到了常翠祖的短信：“薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”至今，这条短信还存在薛其坤的手机里……

两个月后，完美的实验数据出来了，最终实验结果发表在《科学》杂志上。美国和欧洲的研究团体按照薛其坤的方法成功重复了该实验，实验结果被证明了。在霍尔第一次发现霍尔效应的多年之后，量子霍尔效应家族的最后一个重要成员也是最神秘的成员——量子反常霍尔效应终于在实验中被发现，一大世界难题得以攻破。

这一物理效应，从理论研究到实验观测的全过程，均由我国科学家独立完成。杨振宁院士评价说：“量子反常霍尔效应是从中国实验室里第一次做出了诺贝尔奖级别的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。”量子反常霍尔效应的发现，不是偶然，而是薛其坤和他的团队一切理论、试验样品都在追求极致中创新的必然结果。如果没有薛其坤带领团队改进每一次失败的实验、总结错误的原因、创新实验方法，成功的实验结果也决不可能出现。

追求极致：不能停下的创新脚步

一开始，薛其坤并不是抱着一定要实现量子反常霍尔效应的目标做这4年的研究。掺杂磁性原子的拓扑绝缘体本身就有很多新奇的性质吸引着薛其坤。在每一次对磁性拓扑绝缘体的相关实验研究中，薛其坤都以达到极致来要求自己。如果把发现量子反常霍尔效应比作山顶的樱桃，把研究磁性拓扑绝缘体的其他性质比作半山腰的桃子，那么薛其坤在勇攀高峰的过程中，不但摘到了樱桃，也尝到了桃子。在试验过程中，薛其坤发现了磁性拓扑绝缘体的一些特殊规律，还观察到一些新的有趣现象，如零量子电阻平台，这是理论物理没有预见的地方。

直到现在，薛其坤还在攀登创新的高峰。他说，从科学研究的角度看，发现量子反常霍尔效应是下一段科学研究的开始。量子反常霍尔效应是在接近零下℃中实现的，要想真正实现应用，还需要把温度往上升，实现在常温下的量子反常霍尔效应，这样才能尽快将其投入应用。薛其坤的团队现在已经成功地把实现效应温度提高了10倍甚至更高。

今天我们仍然能看到，在清华的校园里，薛其坤和他的团队依然在充满激情的实验室里不断生长样品、测试结果，向着更高的目标创新前进。我们可以大胆地畅想，有了量子反常霍尔效应和其他相关的技术进步，我们的手机和电脑的运行速度不仅变得更快、存储空间变得更大，还不会发热，巨型银河计算机变得像平板电脑一样便携。量子反常霍尔效应的发现，被认为是很可能引发信息技术的革命一项发现。

（选自科学技术文献出版社，《科学家精神--创新篇》，科学技术部主编，本文略有增删和修改）

刊登于《中国高新科技》年第5期