探索量子世界的魔法师：薛其坤院士的科学之旅

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

在我们日常生活中，科技的进步无处不在，从智能手机到高铁，从人工智能到新能源。然而，在这些看得见摸得着的科技背后，还有一个神奇的量子世界正在被科学家们探索着。

在这个微观世界里，有一位中国科学家正在书写着属于自己的传奇。他就是2023年度国家最高科学技术奖的获得者之一——薛其坤院士。让我们一起走进薛其坤院士的科学世界，了解他在量子物理领域的卓越贡献。

薛其坤，中国科学院院士，凝聚态物理领域著名科学家。现为清华大学教授、南方科技大学校长。

（图片来源：科技日报）

从农村少年到世界级物理学家：薛其坤院士的科学之路

薛其坤院士1963年出生于山东省临沂市的一个普通农村家庭。在那个物质条件匮乏的年代，年轻的薛其坤院士却对自然科学充满了好奇和热爱。1982年，他考入山东大学光学系激光专业，开始了自己的物理学习之旅。大学期间，薛其坤院士展现出了卓越的学习能力和科研天赋，这为他日后的科研工作奠定了坚实的基础。

薛其坤院士与高中同学的合影

（图片来源：央视新闻）

1987年，薛其坤院士考入中国科学院物理研究所攻读硕士学位，随后又在该所获得博士学位。在攻读博士学位期间，薛其坤院士就已经在凝聚态物理领域崭露头角，发表了多篇高质量论文。

1992年，薛其坤院士前往日本东北大学进行科研工作，开始了他在国际舞台上的科研生涯。回国后，他先后在中国科学院物理研究所和清华大学任职。2005年，他当选为中国科学院院士，成为当时最年轻的中国科学院院士之一。薛其坤院士的科研之路，从农村少年到世界级物理学家，展现了一个科学工作者应有的执着和热情。

量子反常霍尔效应：薛其坤院士的重大突破

在薛其坤院士众多科研成果中，最为瞩目的当属2013年实现的量子反常霍尔效应实验。这个突破性发现被《科学》杂志评为2013年度十大科学突破之一，也是中国科学家首次以第一作者身份发表的研究成果入选该榜单。

那么，什么是量子反常霍尔效应呢？要理解这个概念，我们先要了解普通的霍尔效应。

当电流通过一个处于磁场中的导体时，电子会受到磁场力的作用而偏向一侧，导致导体两侧产生电压差，这就是霍尔效应。而量子反常霍尔效应则是在没有外加磁场的情况下，材料本身就能产生类似的效应。

霍尔效应示意图，（1）电子；（2）导体；（3）磁铁；（4）磁场；（5）电源

（图片来源：维基百科）

薛其坤院士团队通过在磁性拓扑绝缘体中实现了这一效应。他们制备了一种特殊的材料，在极低温度下，这种材料的边缘会自发产生无损耗的电流。这个发现不仅具有重要的科学意义，还可能在未来的电子器件中得到应用，有望大幅降低电子设备的能耗。

这项成果的重要性在于，它不仅验证了理论物理学家们多年来的预言，还为探索新型量子现象和发展下一代电子器件开辟了新的道路。正如薛其坤院士所说：“这项工作为人类认识自然规律、发展新兴产业提供了新的机遇。”

二维量子材料：开启纳米世界的大门

除了量子反常霍尔效应，薛其坤院士在二维量子材料研究领域也取得了重大突破。二维材料是指厚度只有一个或几个原子层的超薄材料，因其独特的物理性质而备受关注。

薛其坤院士团队在二维材料的制备和性质研究方面做出了卓越贡献。他们开发了一种被称为“分子束外延”的技术，可以在原子尺度上精确控制材料的生长过程。利用这种技术，他们成功制备出了高质量的二维拓扑绝缘体薄膜。

拓扑绝缘体是一类新型量子材料，其内部是绝缘体，但表面却能够无阻碍地传导电流。薛其坤院士团队的工作为深入研究这类材料的量子特性提供了重要的实验平台。

此外，薛其坤院士团队还在二维超导体研究方面取得了突破性进展。他们发现，某些二维材料在极低温度下会表现出超导性，即电阻降为零，电流可以无损耗地传输。这一发现不仅加深了我们对超导现象的理解，还为开发新型超导器件提供了可能。

薛其坤院士团队庆祝取得科研进展

（图片来源：央视新闻）

培养下一代科学家：薛其坤院士的教育理念

作为一名教育工作者，薛其坤院士十分重视人才培养。在清华大学任教期间，他培养了一大批优秀的物理学人才。现在作为南方科技大学的校长，他更是将自己的教育理念付诸实践，致力于培养具有创新精神和国际视野的科技人才。

薛其坤院士工作照

（图片来源：科技日报）

薛其坤院士认为，科学教育不应该只是知识的灌输，更重要的是培养学生的科学思维和创新能力。他常常鼓励学生要有“挑战权威”的勇气，不盲目崇拜学术权威，而是要敢于提出自己的想法。

在教学中，薛其坤院士特别强调动手实践的重要性。他认为，物理学是一门实验科学，学生只有亲自动手做实验，才能真正理解物理概念，培养科学直觉。在他的影响下，许多学生从本科阶段就开始参与前沿科研项目，为日后的科研工作打下坚实基础。

薛其坤院士还十分重视国际交流。他鼓励学生积极参与国际学术会议，与世界各地的科学家交流。他说：“科学没有国界，我们的学生要有全球视野，要敢于在国际舞台上展示自己。”

作为南方科技大学的校长，薛其坤院士正在努力将这所年轻的大学打造成为世界一流研究型大学。他希望通过创新的教育模式，培养出能够引领未来科技发展的拔尖创新人才。

薛其坤院士指导学生做实验

（图片来源：央视新闻）

结语

薛其坤院士的科学之旅，从山东的小村庄到世界科学的最前沿，展现了一个科学家的执着追求和创新精神。他在量子物理领域的突破性成果，不仅推动了人类对微观世界的认知，还为未来科技发展开辟了新的可能。

2023年度国家最高科学技术奖的授予，是对薛其坤院士多年来科研工作的最高嘉奖，也彰显了国家对基础科学研究的高度重视。在当今世界，量子科技已经成为国际科技竞争的制高点，薛其坤院士的研究工作无疑为我国在这一领域的发展做出了巨大贡献。