薛其坤：科学家的思想是自由的
与薛其坤面对面，你可以真切地感受到他对基础科学的热情：“科学家每天都有小孩一般的好奇心，每天都觉得太有意思了。”...
撰文 《环球科学》记者 丁家琦
今年9月，中科院院士、清华大学教授薛其坤因利用分子束外延技术在对新奇量子现象研究中取得的突破性发现，即用实验验证了量子反常霍尔效应，获得了“未来科学大奖”物质科学奖。巧合的是，10多天后，获得2016年诺贝尔物理学奖的美国物理学家邓肯·霍尔丹（F. Duncan M. Haldane），其获奖原因之一正是提出了量子反常霍尔效应的理论模型。
10月15日，在未来论坛以“挑落欧姆定律的量子现象和应用展望”为主题的科技创新峰会上，薛其坤以“奇妙的量子世界”为题目，深入浅出地介绍了他在量子反常霍尔效应和高温超导等方面的研究，以及这一成果可能的应用前景。演讲后，薛其坤教授接受了《环球科学》的采访。
实验室中的薛其坤院士。图片来源：清华大学新闻网
A：这个研究可以用“瓜熟蒂落”这么一个词来形容。2005年左右，国际上关于拓扑绝缘体（topological insulator，一种特殊的绝缘体，在边界或表面总是存在导电的边缘态）的研究开始兴起，当时我就意识到，我有深厚的材料物理学实验背景，刚好适合做这个东西。后来张首晟等人基于这种新材料，提出了量子反常霍尔效应的理论。我们在一个关于拓扑绝缘体的会议上遇到交流时，发现他正好在找一个合适的实验合作者，我们自然而然地走到了一起，我就把量子反常霍尔效应当做了我的研究组的研究目标之一。
作为一位科学家，你首先要学习怎么判断一个科学问题重要还是不重要，怎么选择你的研究课题；另外，作为一名实验物理学家，你要长期打造、磨练自己的实验技术，变成这个领域的专家，甚至说达到“工匠”的水平。这样，等你的知识背景和你的实验技能都具备的时候，再加上你有对科学问题的判断能力，那么，在出现这种机遇的时候，你就会做出正确的选择和判断：是做还是不做，如果做，我的特色在哪里。打好基本功、积累经验，随着年龄的增长，对整个领域的把握能力也会变强，这个时候在别人工作的基础上就会有新的发现，比如我研究的第二个部分超导，就是我自己提出来的想法，这应该说是瓜熟蒂落的过程，也可以说是一个自然的科学发展的结果。
Q：您之前在半导体材料领域的研究，对您之后观察到量子反常霍尔效应有何影响和帮助？
A：第一，它提供了我科学知识背景的基础。作为一个科学家，首先要在理论上深刻地理解自己研究的领域，过去多年研究半导体的过程就让我很好地理解并掌握了半导体物理的理论。掌握了基本的原理和知识，当新的材料和应用出现的时候，你就能很自然就能去理解它；第二，研究半导体的经历帮助我积累了实验技术。作为一个实验物理学家，你要有金刚钻，而且你这个金刚钻还要和别人不一样，要有特色，能看到别人看不到的东西。在过去20多年里，我们的实验水平一直在提高，而且有自己的特色，所以当一个新的领域、新的材料和新的科学问题来到我们面前的时候，我们才有合适的实验技术去做这件事。所以，过去这些年在半导体研究过程中掌握的基本知识和工具，积累的材料生长技术，都是今天做出这些发现的基础。
Q：您的研究课题主要是量子反常霍尔效应和高温超导，能详细介绍一下它们可能应用的方向吗？
A：我们实现了不需要磁场的量子反常霍尔效应，这个方向将来的一个可能应用就是我们的集成电路，量子霍尔效应如果能应用到集成电路上，就可以基本解决发热问题。因此，在降低材料价格、提高量子反常霍尔效应的实现温度的情况下，就可以做成一些特殊的不会发热的计算机芯片，这是一种应用。
此外，利用量子反常霍尔效应还可以制造出一些新型的磁存储器，甚至随机存储器，这也是计算机芯片的一部分。我们每次开计算机的时候，所有的程序都要重新启动，但如果我们用量子反常霍尔效应或相关效应做磁存储芯片，或者是非挥发性磁存储器，那么它关机以后原来的状态会保留，不需要我们再每次开机的时候启动程序，这是也量子反常霍尔效应和拓扑绝缘体可能的一个应用。至于在拓扑量子计算机方面，也是可能的一个应用方向，现在也是我们正在研究的方向。
我做的第二个方向是高温超导。大家也知道，由于欧姆定律，一般的导线都会存在着发热问题。所以如果我们能把高温超导材料的超导临界温度提高到液氮温度以上，各种各样的电子器件都可以考虑开始使用高温超导材料，这样就能大大节省能源。另一方面的应用是做磁共振成像，包括像雷达等等，都可能会用到高温超导。这个主要取决于材料的超导转变温度能达到多高，如果能达到液氮温度以上，那么雷达、电子器件的互联，包括医院里的磁共振成像设备，都可以在液氮冷却的情况下实现应用。我们现在医院用的磁共振成像就是用液氦冷却，一个仪器一天要消耗很多昂贵的液氦，如果应用了高温超导技术，就可以大大降低能源消耗。
除此之外，随着我们基础研究的深入，我们对材料的超导特性或其他特性的测量结果更加明确以后，或许还会开拓新的应用。基础研究有一个好处：一旦发现了共性的、基础的、原理性的东西，在比较好的商业化条件下，它的拓展空间可以说是无限的。我在上面回答的这些应用，都是大家现在能想象到的，但实际上科学家做出来的基础研究，在将来哪一天可能会忽然变成我们都想不到的应用，给我们人类、社会提供新的技术，这也是基础研究的魅力所在。
Q：获得“未来科学大奖”后，您有怎样的感受？
A：“未来科学大奖”的数额比较大，我非常感谢这些无私的捐赠人，我以后可以买自己想穿的衣服，生活上也会更宽裕一点。获得了这个荣誉，对我个人的科学生活更是一个极大的鼓励。正如我在报告里说的，它进一步激发了我探索科学，做基础研究的热情。关于奖金，我会根据我们团队成员中每个人的贡献，分给他们一些，这是对他们工作的肯定和回报，也是对他们的一个激励，让年轻人在未来的科学生涯中继续做出更好的研究。
Q：您觉得现阶段，不管是国家也好还是企业也好，怎样才能让更多优秀的人从事影响更为深远的基础科学研究？
A：你谈到的这个问题，是一个极其重要的问题。现在我们国家已经采取了一些有利的措施，比如说“万人计划”、“千人计划”等一系列人才计划，就是从机制上在引导更多的人来做学术研究。各个大学、省和地方上也有各种各样的计划和机制，如年薪制或者一定的补贴等等，这起到了重要的引导作用。
企业要顾及企业自己的生存和发展，有时候它不会考虑那么长远。只有当企业已经解决了生存问题，有足够的能力和资金来做研发，他们才考虑长远计划，部署更基础的研发。有部分科学家做的是纯基础的研究，根据他的兴趣和他对科学问题的判断，去研究和解决一个科学问题，这种研究大多由国家来支持。我们国家在人才政策上和人才计划上做了很多有利、重要的举措，鼓励和支持基础研究。另外，国家财力也有限，几个人才政策解决不了各种各样不同方面的问题，所以需要社会一起营造鼓励基础科学研究的气氛和环境。未来论坛，包括“未来科学大奖”，就是成功的、著名的企业家做的示范，我也希望以后不光是企业家，还有更多别的领域的人一起从不同的方面、不同的层次来弘扬科学文化，营造一个追求科学、尊重科学、崇尚科学的气氛。
现在中国提出建设一流大学，包括我所在的清华也在吸引最好的教师队伍，因为要培养人才，首先得有好的教师。经过他们的灌输，人才才能留在基础科学研究的领域。因此，现在学校发展重要的目标，就是把最优秀的人才通过各种机制和措施留在学校里当教授，他们就像是“老母鸡”，可以培养一系列“小鸡”，将来沿着这些方向继续做下去。如果没有这样的学术带头人，基础科学研究就成了“无本之源”，所以为了建设一流大学，不管从待遇也好，各方面荣誉上也好，都应该给教授一种能潜心学术的氛围。
真正技术上大的、突破性的变革往往来自于科学上的突破，如果没有科学上的突破，大的技术突破甚至革命是很难的。当然，我们国家和社会以后在科学、技术、研发上要统筹部署，不可能把所有人都放在大学里。大学培养了学生，培养出来的学生又只限于讲课，那中国就是一个大学校了，那谁去维持这个社会的运转、社会的发展呢，谁去管这些人的吃住问题呢？我们中国想要变成一个科技强国，肯定要有自己的科学发现，而且还要有从科学发展出来的原创技术，只有这样才能真正达到2050年变成世界强国的目标。如果你老跟着人家学知识，自己不去做基础研究，不去做科学发现，到了2200年也是跟着人家走，这是不行的。所以需要统筹布局，有些是短期的，有些是针对长远的，不如基础研究。这应该是一个非常有机的、协同的体系，既考虑到现状，也要考虑到未来。
问：您从事科研那么长时间，您自己感受到科学有哪些美丽的地方？
薛其坤：科学的魅力可以简单比喻为满足你的好奇心。科学家每天都觉得很有意思，每天都拥有着像小孩一样的好奇心。你几乎每天都能看到新东西，每过一段时间就会出现一个谜团，让你琢磨不清，经过长时间的努力弄清楚它了，这会让你感到非常幸福。我有时候会用打游戏来做比方，每过一关或者升级时带来的那种成就感，我们科学家常常能享受到，很多其他工作都没有像我们这样的收获和回报。这种快乐，有时候只能意会不能言传，我天天在办公室待着看数据都很高兴，因为每天都会看到新东西：这条图线为什么拐这个弯？研究一下，最后经过思考，设计出巧妙的实验解决了这个问题，结果非常圆满，那今天的生活可就太有意思了。
在研究方向的选择上，科学家很少受别人控制，思想是自由的。从选题上，可以说你想做什么就可以做什么。如果世界上只有你一个人做这件事，你第一个解决了，很多人都要跟着你，这就是很多职业都比不上的地方。比如说你是第一个登上珠穆朗玛峰的人，和第二个感觉就完全不一样，因为你是第一个领略这种风光的人。
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