6月24日，2023年度国家最高科学技术奖在京揭晓，李德仁院士、薛其坤院士获得中国科技界崇高荣誉。

薛其坤是凝聚态物理领域著名科学家，取得多项引领性的重要科学突破，包括：他率领团队首次实验观测到量子反常霍尔效应，在国际上产生重大学术影响；在异质结体系中发现界面增强的高温超导电性，开启了国际高温超导领域的全新研究方向。

图：2023年度国家最高科学技术奖得主李德仁、薛其坤

来源：新华社

他35岁成为教授；42岁被选为中国科学院最年轻的院士之一；49岁时，他提出界面高温超导；50岁时，他成功发现量子反常霍尔效应，解决了量子领域的一个重大难题；56岁和57岁时分别获得国家自然科学一等奖和菲尔兹·伦敦奖。他就是薛其坤。如今，61岁的他获得2023年度国家最高科学技术奖，也成为该奖自2000年度首届评选颁奖以来最年轻的获奖者。

“没有第二，只有第一”

据薛其坤回忆，2012年10月12日晚，他收到学生的短信：“量子反常霍尔效应出来了。”

经过2个月的集中测试，团队得出了完美的实验数据。这一成果于2013年5月14日在《Science》（科学）期刊上发表，在国际物理学界引起轰动。

图：薛其坤发现量子反常霍尔效应研究论文

来源：Science

量子反常霍尔效应这项震惊全球物理界的科学发现，让薛其坤迎来了一系列高光时刻：2016年，首届未来科学大奖；2018年，国家自然科学奖一等奖；2022年，菲列兹·伦敦奖；2024年，巴克利奖……拿奖拿到手软。物理学家杨振宁评价说，“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”

图：薛其坤获巴克利奖公告

来源：APS

在科学发现上，没有第二，只有第一，他坦言，“当发现一个科研成果时，你会很兴奋的，毕竟做了这么多年的努力，这是专利！如果第二个做出来就会大打折扣。”

目前，薛其坤主要研究方向包括扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘体和高温超导电性等。他真正被外界熟知，正是在发现量子反常霍尔效应之后。

在普通导体中，电子的运动轨迹杂乱无章，不断发生碰撞，从而产生电阻发热等效果。这时候，如果外加电场使电子定向流动，然后在垂直于电子运动的方向上外加一个磁场，那么材料里的电子在磁场作用下会跑到导体的一边形成积累电荷，并在导体内部形成一个电场。随着电荷的不断积累，内电场与外磁场作用在电子上的力最终会达到平衡，形成稳定的霍尔电压，这就是霍尔效应。

这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall）于1879年在研究金属的导电机制时发现的：在室温下，电流垂直于外磁场通过导体时会发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差。

图：霍尔效应示意图

来源：Wikimedia Commons

在霍尔效应发现百年后，20世纪70年代末，科学家在极低温度和强磁场下，研究半导体的霍尔效应，发现了量子霍尔效应。当外磁场足够强、温度足够低时，电子的运动可以变得高度有序——沿着两条边界高速运动。

有霍尔效应，也有反常霍尔效应。1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。

量子霍尔效应发现后，物理学家进而提出：反常霍尔效应是否能像霍尔效应那样，有对应的量子版本，这又成为人们新的探索目标。为了实现量子反常霍尔效应，自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何重要进展。

从理论上讲，薛其坤团队发现量子反常霍尔效应攻克了130多年的世界难题，《科学》期刊审稿人评价“这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

图：量子反常霍尔效应的实验发现的最终测量样品和数据

来源：清华大学

而从现实应用上讲，人类发明的所有电子器件都无法避免能量损耗，这是由电子的无序运动造成的。量子霍尔效应可以解决这个问题，但产生量子霍尔效应需要施加强磁场，这个磁场的强度相当于10个计算机大小的磁铁的效果，因此，造价昂贵、体积庞大等因素限制了其走向实际应用。

而量子反常霍尔效应的美妙之处是电子在不施加磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少无规则碰撞导致的发热和能量损耗，能够用于发展新一代的低功耗晶体管和电子学器件。

采用这种技术设计集成电路和元器件，千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大，智能手机的内存可能会提高上千倍。

目前，限制量子反常霍尔效应走向实际应用的重要因素是低温。这里就不得不提到薛其坤的另一项重要研究——高温超导，他在2008年就启动了这项重大实验项目。

在高温超导方向上，1986年发现铜氧化物高温超导至今已接近40年，但世界上还没有发现新的一个常压下超导转变温度超过77开（零下196摄氏度）的超导体系，而且对铜氧化物的高温超导的机理，即它为什么在这么高的温度下会有超导现象，也还没有一个明确的答案。对此，薛其坤透露说：“我们团队也有一些非常创新的想法，有望首次发现新的有可能在77开液氮温区以上的高温超导体系，并争取在解决高温超导机理上做出我们的贡献。”

“7-11”院士

1963年12月，薛其坤出生在山东沂蒙山区，物质条件匮乏，干农活是每天的必修课，周末采中药材，一天干三四个小时可以买一块橡皮或一支铅笔。

但他跟物理的默契早已达成，他高考物理考了99分（满分100分），报了山东大学光学系激光专业并被录取。

不过，他第一次考研时，高等数学却只得了39分，没有成功。毕业后，他被分配到曲阜师范大学教书，但他没有放弃考研，决定报考中科院物理所研究生。而第二次考研，薛其坤引以为傲的大学物理竟然只考了39分。直到第三次考研，经过充分准备的他成功收到了中科院物理所的研究生录取通知书。他总结自己的考研经验——“不能耍小聪明”，“一定要把各个知识点、知识面复习全面、复习深入了。”

1990年硕士毕业后，已经有了家庭和孩子的薛其坤选择了继续读博。1992年，在导师陆华的推荐下，他得到了一个中日联合培养到日本东北大学留学的机会。报到第一天，他的导师樱井利夫要求，无论刮风下雨，工作日必须早上7点到实验室，晚上11点离开。

图：薛其坤（左一）与导师樱井利夫（左二）合影

来源：共产党员网

博士毕业之后，1999年，薛其坤入选中科院“百人计划”，他在“7-11”作息下，在实验室工作了8年后回国，受聘中科院表面物理国家重点实验室主任。2005年，薛其坤加入清华大学物理系，同年11月入选了中国科学院院士。

早上7点进实验室，晚上11点离开，这样的作息时间，薛其坤坚持了20多年。

清华大学的学生们亲切称呼他为7-11院士。

2009年，薛其坤了解到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，于是他邀请了清华大学物理系王亚愚教授、何珂教授加入研究团队。

他带领团队历经四年努力，前后制备了1000多个样品，经历了无数次的失败。但薛其坤认为这并不叫失败。“真正的迷宫可能有99条路，只有一条是通的。你必须要把不通的路给探索到，这也算是科学上的一种贡献，这样的失败实际上是一次成功。”

图：薛其坤在清华大学的实验室

来源：共产党员网

终于，薛其坤在迷宫中走通了，利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂（Bi,Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，然后将其制备成输运器件，并在极低温环境下成功观测到了量子反常霍尔效应。

如今，薛其坤身上的头衔很多：中国科学院院士、北京量子信息科学研究院院长、粤港澳大湾区（广东）量子科学中心主任、南方科技大学校长、清华大学教授、中国科学院物理研究所研究员、北京邮电大学电子工程学院院长等等，而他依然在坚持做“7-11院士”。

他依然在量子领域不断探索，接下来的首要的科研目标就是量子反常霍尔效应方面。他表示：“如何提高量子反常霍尔效应实现的温度，以及利用高温量子反常霍尔效应能实现什么应用是我们目前探索的一个方向。量子反常霍尔效应及相关量子态在拓扑量子计算方面有重要的应用。大家都知道量子计算非常重要，用量子反常霍尔效应及其相关的量子态可以构筑拓扑量子计算机，有可能克服量子计算研究遇到的关键问题，即量子纠错问题。”

第二次量子革命爆发

除了量子反常霍尔效应，如今，薛其坤院士再出发，领导着北京量子信息科学研究院、粤港澳大湾区量子中心、南方科技大学这些量子科研单位，一方面推动基础科学研究，另一方面推动科技成果转化，让量子技术走向实用化、规模化、产业化。

薛其坤说，量子信息和高温超导这两个领域的基础与应用研究，中国已在国际上占有重要一席之地。谈及量子科技未来发展，他指出，以量子计算为核心代表的量子信息科学，将有可能爆发一次革命，“这次革命不一定比现在我们正在发生的这种信息革命的意义小，而且难度更大”。可以说，量子信息、量子科技又给包括中国科学家在内的全世界科学家，提供了一个新的具有划时代意义的研究领域。

他还强调，经过40多年改革开放和快速发展，中国在人才、技术等各方面的积累都达到了一定条件，以此为基础，才有了今天在量子科技方面与世界先进国家一起发力、推动形成一次科技革命的重要实力。“这是历史上，我觉得很少见的一个领域或是一个时期”。

参考链接

[1]http://www.news.cn/20240624/3319499e528843e3b59b543345923534/c.html

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/837R949QwgXKOXMySbQT2g

[3]https://www.12371.cn/2024/06/24/ARTI1719201028848907.shtml

[4]https://www.chinanews.com.cn/gn/2024/06-24/10239309.shtml

[5]https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=103128

[6]https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1230/5750.htm