q日Q中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤与部分“科学探索奖”获奖h、南方科技大学青年学者，以“关于研I的三个层次”ؓ(f)题，分n?jin)自己在U研道\上的?j)得与经验。他鼓励青年U学家要不畏挫折p|Q坚定冲ȝ学前沉K题的理想与信念，勇攀U学高峰?/span>
薛其坤在“科学探索奖”跨学科交流zd中与青年学者做分n
以下为精选的分n内容
在今天这个非常温馨的学术交流氛围中，我想从自q(zhn)的三个领域来分别谈谈关于研I的三个层次?/span>
首先是A器。这里的“A器”可以是研究工具、理论工P也可以是实验Ҏ(gu)或理论方法。这是我们科学研I的“金刚钻”，是做理论研究、实验或工程研究的利器?/span>
其次是材料。也是我们的研I对象，它可以是生命U学中的生命体例如猴子、老鼠和植物等Q也可以是物质科学中的非生命体。所有的U学研究要“寄托”在q些“材料”基之上?/span>
W三是发现。这里主要指U学发现Q可以是理论研究的发玎ͼ也可以是实验研究的发现?/span>
下面我从以上几个角度Q谈谈我对科学研I的理解?/span>
一 从A器角度看U学研究的三个层?/span>
在这个领域里Q我们可以把研究分ؓ(f)三个层次Q?/span>
W一个层ơ是发明。比如发明一个全新的U学仪器Q一个全新的理论Ҏ(gu)Q一个全新的实验技术，一U全新的研究自然的手Dc(din)这可以UC为“从0?span lang="EN-US">1?/span>Q即创造了(jin)原来没有的东ѝ?/span>
W二个层ơ是拓展。是指我们用不同的方式和手段Q对工具或A器功能进行拓展，获得仪器功能的提升。这个过E可以称为“从1?span lang="EN-US">10?/span>?/span>
W三个层ơ是应用。将工具或A器用于改变世界，用于?j)进l济C会(x)发展、提高h民的q福生活水^。这个过E是“从10?span lang="EN-US">100?/span>?/span>
有时候“从0?span lang="EN-US">1?/span>的发明最重要Q有时?span lang="EN-US">?/span>?span lang="EN-US">10?span lang="EN-US">100?/span>的应用也很重要。所以我们在谈论?/span>?span lang="EN-US">0?span lang="EN-US">1?/span>的突破性研I时Q也不可忽视?/span>?span lang="EN-US">10?span lang="EN-US">100?/span>的拓展研I。这是一条完整的创新链。例如，有h研究?/span>?span lang="EN-US">8.0?span lang="EN-US">8.1?/span>q种微小的技术进步，也有人研I?span lang="EN-US">?/span>?span lang="EN-US">10?span lang="EN-US">20?/span>的技术变革，每个人在不同的阶D都可以有非常精彩的表现?/span>
以扫描隧道显微镜Z
?sh)子昑־镜早在上世?span lang="EN-US">30q代已l发明，而扫描隧道显微镜的发明相对较晚，是在1981q由德国U学?span lang="EN-US">G. Binnig和瑞士科学家H. Rohrer发明。值得一提的是，5q之后，也就?span lang="EN-US">1986q_(d)他们两位和电(sh)子显微镜的发明?span lang="EN-US">Ruska一赯得了(jin)?dng)物理学奖?/span>
扫描隧道昑־镜的工作原理是量子隧I效应（Quantum TunnelingQ。当原子度的针与样品之间的距d?span lang="EN-US">1nmӞ在外加电(sh)压的条g下，针尖与样品之间会(x)产生隧穿效应而有?sh)子逸出Q从而Ş成隧道电(sh)?/span>
q两位科学家发现Q当pȝ建立隧穿以后Q针与样品的距L变化一?span lang="EN-US">ÅQ?span lang="EN-US">0.1nmQ，甉|׃(x)变化一个量U。样品表面原子尺度上凹凸不^对电(sh)的改变是非常大的，q就l我们提供了(jin)一个在原子度上探表面Ş貌的强大工具。扫描隧道显微镜使hcd以在实空间实现原子分辨测量，q对于表面物理研I等领域的推动作用是极大的。这是一个非怼大的发明?/span>
扫描隧道昑־镜的技术拓展也非常重要。上世纪90q代Q纳c科学兴P扫描隧道昑־镜作为原子尺度的U学利器Q出C(jin)多个斚w的拓展：(x)其中一个是来自IBM实验室的Don Eigler所做的原子操纵Q一个是华hU学?span lang="EN-US">Wilson Ho所实现的化学分辨?/span>
其他斚w的技术拓展还有时间分?span lang="EN-US">/高真空/高压STM、近场光学显微镜、低温强场扫描隧道昑־镜、原子力昑־镜等Q这些非常强大的表征工具都是因扫描隧道显微镜的发明而逐渐发展h?/span>
所以，在实验工h面，q些发明、拓展和应用的工作，都值得我们学习(fn)和借鉴。如果在你的U学生(dng)中遇C(jin)已经发明的重要科学A器，可以再想惻I是否有机?x)对它做q一步拓展呢Q?/span>
?从材料角度看U学研究的三个层?/span>
同样Q在材料研究领域Q我们也可以分ؓ(f)三个层次Q发明、应用、拓展?/span>
我们发现、发明一个新材料Q找到它的应用，可以思考一下是不是有进一步的拓展。例如我们发?span lang="EN-US">II?span lang="EN-US">VI族的化合物有某一特D的应用Q我们就可以在同一族找扄性能相近的其他元素，也许可以拓展出性能更优异的新材料。所以，材料U学的研I也有这样三个层ơ?/span>
?从发现角度看U学研究的三个层?/span>
我们来重点谈谈科学发现。同样地Q科学发C是有三个层次?/span>
W一个层ơ是发现。是指发C个新的规律、新的效应、新的知识等自然界的“新东西”，也就是“从0?span lang="EN-US">1?/span>?/span>
W二个层ơ是应用。是把这个“新东西”、新规律应用到某个领域，发挥它的作用?/span>
W三个层U是拓展。不仅可以应用，我们q能对这个新规律、新知识q行拓展Q在其他领域产生新的发现和应用。甚x时拓展可能与发现同样重要Q因为它可能可以使这个材料更加实用，变得更便宜、更便捷?/span>
以巨电(sh)L应ؓ(f)?/span>
今天我讲一讲大家比较熟知的巨磁?sh)阻效应。当一U材料加上磁Z后，载流子在动的过E中?x)受到洛伦兹力?jing)响而发生偏转，从而生电(sh)阻，即磁L应。一般情况下Q材料的?sh)阻会(x)随着场的增加而变大?/span>
1988q_(d)德国U学?span lang="EN-US">Peter Grunberg教授和法国科学家Albert Fert教授发现在铁?span lang="EN-US">/非铁?span lang="EN-US">/铁磁材料的三明治l构中，铁磁材料的磁矩方向^行或反^行会(x)引v?sh)阻的巨大变化，q个现象是巨磁?sh)阻效应。巨电(sh)L应的发现非常重要Q两位科学家也因此获?span lang="EN-US">2007q诺贝尔物理学奖?/span>
巨磁?sh)阻效应的应用则h划时代的意义。当我们用磁介质存储信息的时候，存储单元小Q信息密度就高Q但信号也p弱，也越难探和控制?/span>
1997q_(d)英国物理学家S. Parkin利用巨磁?sh)阻效应发明了(jin)一个非常灵敏的头Q可以读取微q矩信息Q从而将信息存储的密度一下提高了(jin)4个数量Q这造就?jin)现在台式?sh)脑上所必备的硬盘。硬盘的应用是ZU学发现Q虽然用的是隧穿阻Q?span lang="EN-US">Tunneling MagnetoresistanceQ，但基本原理是盔R的?span lang="EN-US">S. Parkin也因此获得了(jin)千禧U技奖（Millennium Technology PrizeQ?/span>
从霍?dng)效应到量子霍尔效?/span>
接下来，我结合我个h的科研经历，讲一讲我对科学研I的三个层次的一些理解?/span>
1879q_(d)国物理学家霍尔在金属或半导体上施加场Q发现在垂直于电(sh)和场方向?x)生一个附加的?sh)势差，q一现象是霍尔效应。在q个发现的基上，霍尔又做?jin)进一步的拓展?span lang="EN-US">1891q_(d)霍尔实验材料更换ؓ(f)性材料，不再外加场Q依靠材料本w的性，也能产生霍尔效应Q这是反常霍尔效应?/span>
一癑ֹ以后Q?span lang="EN-US">1980q_(d)德国U学?span lang="EN-US">Klaus von Klitzing发现整数量子霍尔效应。他也因此获?span lang="EN-US">1985q诺贝尔物理学奖?/span>
1982q_(d)国贝尔实验室的物理学家崔琦?span lang="EN-US">H. Stormer发现分数量子霍尔效应Q两Z后来对这一现象作出解释?span lang="EN-US">R. B. Laughlin共同获得?span lang="EN-US">1998q的?dng)物理学奖?/span>
2005q_(d)英国U学?span lang="EN-US">A. Geim和俄|斯U学?span lang="EN-US">K. Novoselov在实验室中制备出矛_烯，发现?jin)半整数量子霍尔效应Qƈ因此获得?span lang="EN-US">2010q诺贝尔物理学奖?/span>
紧接着Q三位美国科学家D. Thouless?span lang="EN-US">F. Haldane?span lang="EN-US">J. Kosterlitz发展?jin)拓扑相变和拓扑相物质理论，从物理上解释了(jin)量子霍(dng)效应的机理Q从而获得了(jin)2016q诺贝尔物理学奖?/span>
由此可见Q一个霍?dng)效应的发现拓展出来更多的科学发现。这׃现出Q科学领域、研I方向的选择是多么重要。所以，在科学研I中Q“从0?span lang="EN-US">1?/span>的基上往往q有新的?/span>?span lang="EN-US">0?span lang="EN-US">1?/span>的发现。当你碰C(jin)好的U学问题Q你需要紧盯着它，不断d它?/span>
?量子反常霍尔效应的发现过E?/span>
1988q_(d)国物理学家F. Haldane提出?jin)可能存在不需要外加磁场的量子霍尔效应。但是h们一直未能找到能实现q一Ҏ(gu)量子效应的材料体pd具体物理路径?/span>
2013q_(d)我带领我的研I团队首ơ从实验上观到?jin)量子反帔R?dng)效应。从U学发现的角度来_(d)q是物理学领域的一w要科学发玎ͼ我们也因此获得了(jin)2018q唯一的国家自然科学奖一{奖。作Z名科学家Q最荣耀的时刻，是从M记手里接q获奖证书。我们团队成员王亚愚因此q获得了(jin)?/span>U学探烦(ch)?span lang="EN-US">?/span>?/span>
量子反常霍尔效应实验属于研究哪一个层ơ？
从材料的角度?/span>
前苏联有一位物理界的大师人物Q著名物理学?span lang="EN-US">Lev Landau。他于上世纪30q代提出?jin)基于对U性破~的相变理论。上世纪80q代Q我们刚才讲到的三位物理学家Thouless?span lang="EN-US">Haldane?span lang="EN-US">Kosterlitz提出新的相变理论Q不需要对U性破~就可以实现相变Q这是拓扑相变?/span>
本世U初Q宾夕法g大学?span lang="EN-US">C. L. Kane教授和斯坦福大学的张首晟教授提出?jin)对应拓扑相变的材?span lang="EN-US">—?/span>拓扑l缘体。这U材料可以在不发生对U性破~的情况下生相变，q奠定了(jin)实现量子反常霍尔效应的基?span lang="EN-US">C. L. Kane和张首晟提出?jin)拓扑绝~体的想法之后，许多世界实验室都争相投入到这个研I域中?/span>
到这里，要实现量子反帔R?dng)效应的材料体系基本上有了(jin)，那么我们怎么来实现呢Q?/span>
从A器的角度?/span>
在经q了(jin)严格的科学训l和多年的?span lang="EN-US">7-11?/span>U研生活之后Q我惛_U学仪器上进行一些拓展。于是我们思考，能不能搭一套超高真I分子束外gQ扫描隧道显微镜Q角分L光电(sh)子能p合系l？
我们?span lang="EN-US">2002q把q套pȝ搭v来了(jin)。这P我们可以在原子度上精控制薄膜生长，又可以对薄膜生长形貌、缺陷以?qing)?sh)子结构等q行观测。因个拓展，我们可以做出世界上最好的薄膜材料Q这寚w子反帔R?dng)效应的实现h非常重要的意义?/span>
量子反常霍尔效应的发?/span>
有了(jin)高质量的拓扑l缘体，下一步就是要实现量子反常霍尔效应。拓扑绝~体本n是不h性的Q我们要惛_法引入铁性。这p求我们要制备出磁性的、拓扑的、体l缘的高质量材料。要实现q个目的Q就好比是要求一个全能冠军在每一个单上也必L世界冠军Q这个难度是非常大的?/span>
在这个关键时刻，我们的这?span lang="EN-US">MBE-STM-ARPES讑֤pȝ真正有了(jin)用武之地。A器的拓展Ҏ(gu)们攻克科学难兌vC(jin)臛_重要的作用?/span>
当然q个q程也是非常艰难的。常常在q一q的旉里我们没有Q何进展。经q了(jin)20多位研究?span lang="EN-US">4q多旉的努力，做出?span lang="EN-US">1000多个样品Q终于在2012q?span lang="EN-US">12月，我们成功观测C(jin)量子反常霍尔效应?/span>
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量子反常霍尔效应实验Q既有A器方面的拓展Q又有新材料的发现或制备Q还有科学的H破Q因而是一个比较好的反映三个层ơ的实验?/span>
现在Q很多青q学者已l有?jin)非常好的“金刚钻”，我们能不能ؓ(f)世界U学做点贡献Q能不能为国家富强做点A(ch)献？
在我看来Q科学研I真正的最高层ơ是q三点：(x)
一是置w于人民q福、国家富强和民族复兴事业的家国情怀。我们必要?wi)立“ؓ(f)国家做A(ch)献”的坚定目标Q有“ؓ(f)民族复兴事业而奋斗”的家国情怀?/span>
二是为科技自立自强而奋不顾w的忘我奉献_。在座的每一位都是各自领域内的优U学者，希望各位能够发扬忘我的奉献精，为国家的高水q科技自立自强做出贡献?/span>
三是勇攀世界U技高峰、ؓ(f)国h争光的英雄精。在U学上，我们要树(wi)立ؓ(f)国争光、ؓ(f)民族争光的英雄主义精，Ȁp己勇于攀ȝ学高峰?/span>
最后，我想用一首我最喜欢的诗作ؓ(f)今天分n的结。来自唐代诗人杜甫的《望岟뀋：(x)
岱宗夫如何？齐鲁青未?jin)?/span>
造化钟神UQ阴阛_昏晓?/span>
荡胸生曾云，决眦入归鸟?/span>
?x)当凌绝(rn)Ӟ一览众山小?/span>
如果你用“荡胸生曾云”的胸怀与境界去做科学研IӞ用“决眦入归鸟”的专注和洞察力抓住事物本质Q付?gu)苦的努力和奋斗，L一天你?x)登上更高的U学高峰Q“会(x)当凌l顶Q一览众山小”?/span>
希望在的优U青年负v时代赋予的命和责QQ树(wi)立远大理惻I正确处理好三个层ơ的辩证关系Q勇于啃骨_(d)乐于潜心(j)研究Qؓ(f)国家的高水^U技自立自强和hcȝ技q步贡献青春与力量！
谢谢Q?/span>
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