在我們日常生活中，科技的進步無處不在，從智能電話到高鐵，從人工智能到新能源。然而，在這些看得見摸得著的科技背後，還有一個神奇的量子世界正在被科學家們探索著。
在這個微觀世界裏，有一位中國科學家正在書寫著屬於自己的傳奇。他就是2023年度國家最高科學技術獎的獲得者之一——薛其坤院士。讓我們一起走進薛其坤院士的科學世界，了解他在量子物理領域的卓越貢獻。
薛其坤，中國科學院院士，凝聚態物理領域著名科學家。現為清華大學教授、南方科技大學校長。
（圖片來源：科技日報）
從農村少年到世界級物理學家：薛其坤院士的科學之路
薛其坤院士1963年出生於山東省臨沂市的一個普通農村家庭。在那個物質條件匱乏的年代，年輕的薛其坤院士卻對自然科學充滿了好奇和熱愛。1982年，他考入山東大學光學系激光專業，開始了自己的物理學習之旅。大學期間，薛其坤院士展現出了卓越的學習能力和科研天賦，這為他日後的科研工作奠定了堅實的基礎。
薛其坤院士與高中同學的合影
（圖片來源：央視新聞）
1987年，薛其坤院士考入中國科學院物理研究所攻讀碩士學位，隨後又在該所獲得博士學位。在攻讀博士學位期間，薛其坤院士就已經在凝聚態物理領域嶄露頭角，發表了多篇高質素論文。
1992年，薛其坤院士前往日本東北大學進行科研工作，開始了他在國際舞台上的科研生涯。回國後，他先後在中國科學院物理研究所和清華大學任職。2005年，他當選為中國科學院院士，成為當時最年輕的中國科學院院士之一。薛其坤院士的科研之路，從農村少年到世界級物理學家，展現了一個科學工作者應有的執著和熱情。
量子反常霍爾效應：薛其坤院士的重大突破
在薛其坤院士眾多科研成果中，最為矚目的當屬2013年實作的量子反常霍爾效應實驗。這個突破性發現被【科學】雜誌評為2013年度十大科學突破之一，也是中國科學家首次以第一作者身份發表的研究成果入選該榜單。
那麽，什麽是量子反常霍爾效應呢？要理解這個概念，我們先要了解普通的霍爾效應。
當電流透過一個處於磁場中的導體時，電子會受到磁場力的作用而偏向一側，導致導體兩側產生電壓差，這就是霍爾效應。而量子反常霍爾效應則是在沒有外加磁場的情況下，材料本身就能產生類似的效應。
霍爾效應示意圖，（1）電子；（2）導體；（3）磁鐵；（4）磁場；（5）電源
（圖片來源：維基百科）
薛其坤院士團隊透過在磁性拓撲絕緣體中實作了這一效應。他們制備了一種特殊的材料，在極低溫度下，這種材料的邊緣會自發產生無失真耗的電流。這個發現不僅具有重要的科學意義，還可能在未來的電子器件中得到套用，有望大幅降低電子器材的能耗。
這項成果的重要性在於，它不僅驗證了理論物理學家們多年來的預言，還為探索新型量子現象和發展下一代電子器件開辟了新的道路。正如薛其坤院士所說：「這項工作為人類認識自然規律、發展新興產業提供了新的機遇。」
二維量子材料：開啟納米世界的大門
除了量子反常霍爾效應，薛其坤院士在二維量子材料研究領域也取得了重大突破。二維材料是指厚度只有一個或幾個原子層的超薄材料，因其獨特的物理性質而備受關註。
薛其坤院士團隊在二維材料的制備和性質研究方面做出了卓越貢獻。他們開發了一種被稱為「分子束外延」的技術，可以在原子尺度上精確控制材料的生長過程。利用這種技術，他們成功制備出了高質素的二維拓撲絕緣體薄膜。
拓撲絕緣體是一類新型量子材料，其內部是絕緣體，但表面卻能夠無阻礙地傳導電流。薛其坤院士團隊的工作為深入研究這類材料的量子特性提供了重要的實驗平台。
此外，薛其坤院士團隊還在二維超導體研究方面取得了突破性進展。他們發現，某些二維材料在極低溫度下會表現出超導性，即電阻降為零，電流可以無失真耗地傳輸。這一發現不僅加深了我們對超導現象的理解，還為開發新型超導器件提供了可能。
薛其坤院士團隊慶祝取得科研進展
（圖片來源：央視新聞）
培養下一代科學家：薛其坤院士的教育理念
作為一名教育工作者，薛其坤院士十分重視人才培養。在清華大學任教期間，他培養了一大批優秀的物理學人才。現在作為南方科技大學的校長，他更是將自己的教育理念付諸實踐，致力於培養具有創新精神和國際視野的科技人才。
薛其坤院士工作照
（圖片來源：科技日報）
薛其坤院士認為，科學教育不應該只是知識的灌輸，更重要的是培養學生的科學思維和創新能力。他常常鼓勵學生要有「挑戰權威」的勇氣，不盲目崇拜學術權威，而是要敢於提出自己的想法。
在教學中，薛其坤院士特別強調動手實踐的重要性。他認為，物理學是一門實驗科學，學生只有親自動手做實驗，才能真正理解物理概念，培養科學直覺。在他的影響下，許多學生從本科階段就開始參與前沿科研專案，為日後的科研工作打下堅實基礎。
薛其坤院士還十分重視國際交流。他鼓勵學生積極參與國際學術會議，與世界各地的科學家交流。他說：「科學沒有國界，我們的學生要有全球視野，要敢於在國際舞台上展示自己。」
作為南方科技大學的校長，薛其坤院士正在努力將這所年輕的大學打造成為世界一流研究型大學。他希望透過創新的教育模式，培養出能夠引領未來科技發展的拔尖創新人才。
薛其坤院士指導學生做實驗
（圖片來源：央視新聞）
結語
薛其坤院士的科學之旅，從山東的小村莊到世界科學的最前沿，展現了一個科學家的執著追求和創新精神。他在量子物理領域的突破性成果，不僅推動了人類對微觀世界的認知，還為未來科技發展開辟了新的可能。
2023年度國家最高科學技術獎的授予，是對薛其坤院士多年來科研工作的最高嘉獎，也彰顯了國家對基礎科學研究的高度重視。在當今世界，量子科技已經成為國際科技競爭的制高點，薛其坤院士的研究工作無疑為中國在這一領域的發展做出了巨大貢獻。
出品：科普中國
作者：李瑞（半導體工程師）
監制：中國科普博覽
