薛其坤院士：關于研究的三個層次，儀器是第一層次

　　近日，中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤與部分“科學探索獎”獲獎人、南方科技大學青年學者，以“關于研究的三個層次”為題，分享了自己在科研道路上的心得與經驗。他鼓勵青年科學家要不畏挫折失敗，堅定沖擊科學前沿問題的理想與信念，勇攀科學高峰。

薛其坤在“科學探索獎”跨學科交流活動中與青年學者做分享

以下為精選的分享內容：

　　在今天這個非常溫馨的學術交流氛圍中，我想從自己熟悉的三個領域來分別談談關于研究的三個層次。

　　首先是儀器。這里的“儀器”可以是研究工具、理論工具，也可以是實驗方法或理論方法。這是我們科學研究的“金剛鉆”，是做理論研究、實驗或工程研究的利器。

　　其次是材料。也就是我們的研究對象，它可以是生命科學中的生命體例如猴子、老鼠和植物等，也可以是物質科學中的非生命體。所有的科學研究要“寄托”在這些“材料”基礎之上。

　　第三是發現。這里主要指科學發現，可以是理論研究的發現，也可以是實驗研究的發現。

　　下面我從以上幾個角度，談談我對科學研究的理解。

一、從儀器角度看科學研究的三個層次

　　在這個領域里，我們可以把研究分為三個層次：

　　第一個層次是發明。比如發明一個全新的科學儀器，一個全新的理論方法，一個全新的實驗技術，一種全新的研究自然的手段。這可以稱之為“從0到1”，即創造了原來沒有的東西。

　　第二個層次是拓展。是指我們用不同的方式和手段，對工具或儀器功能進行拓展，獲得儀器功能的提升。這個過程可以稱為“從1到10”。

　　第三個層次是應用。將工具或儀器用于改變世界，用于促進經濟社會發展、提高人民的幸福生活水平。這個過程是“從10到100”。

　　有時候“從0到1”的發明最重要，有時候“從10到100”的應用也很重要。所以我們在談論“從0到1”的突破性研究時，也不可忽視“從10到100”的拓展研究。這是一條完整的創新鏈。例如，有人研究“從8.0到8.1”這種微小的技術進步，也有人研究“從10到20”的技術變革，每個人在不同的階段都可以有非常精彩的表現。

　　以掃描隧道顯微鏡為例

　　電子顯微鏡早在上世紀30年代就已經發明，而掃描隧道顯微鏡的發明相對較晚，是在1981年由德國科學家G. Binnig和瑞士科學家H. Rohrer發明。值得一提的是，5年之后，也就是1986年，他們兩位和電子顯微鏡的發明者Ruska一起獲得了諾貝爾物理學獎。

　　掃描隧道顯微鏡的工作原理是量子隧穿效應（Quantum Tunneling）。當原子尺度的針尖與樣品之間的距離小于1nm時，在外加電壓的條件下，針尖與樣品之間會產生隧穿效應而有電子逸出，從而形成隧道電流。

　　這兩位科學家發現，當系統建立隧穿以后，針尖與樣品的距離每變化一個?（0.1nm），電流就會變化一個量級。樣品表面原子尺度上凹凸不平對電流的改變是非常大的，這就給我們提供了一個在原子尺度上探測表面形貌的強大工具。掃描隧道顯微鏡使人類可以在實空間實現原子分辨測量，這對于表面物理研究等領域的推動作用是極大的。這是一個非常偉大的發明。

　　掃描隧道顯微鏡的技術拓展也非常重要。上世紀90年代，納米科學興起，掃描隧道顯微鏡作為原子尺度的科學利器，出現了多個方面的拓展：其中一個是來自IBM實驗室的Don Eigler所做的原子操縱，一個是華人科學家Wilson Ho所實現的化學分辨。

　　其他方面的技術拓展還有時間分辨/超高真空/高壓STM、近場光學顯微鏡、低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，這些非常強大的表征工具都是因掃描隧道顯微鏡的發明而逐漸發展起來。

　　所以，在實驗工具方面，這些發明、拓展和應用的工作，都值得我們學習和借鑒。如果在你的科學生涯中遇到了已經發明的重要科學儀器，可以再想想，是否有機會對它做進一步拓展呢？

二、從材料角度看科學研究的三個層次

　　同樣，在材料研究領域，我們也可以分為三個層次：發明、應用、拓展。

　　我們發現、發明一個新材料，找到它的應用，可以思考一下是不是有進一步的拓展。例如我們發現II、VI族的化合物有某一項特殊的應用，我們就可以在同一族找找看性能相近的其他元素，也許可以拓展出性能更優異的新材料。所以，材料科學的研究也有這樣三個層次。

三、從發現角度看科學研究的三個層次

　　我們來重點談談科學發現。同樣地，科學發現也是有三個層次。

　　第一個層次是發現。是指發現一個新的規律、新的效應、新的知識等自然界的“新東西”，也就是“從0到1”。

　　第二個層次是應用。是把這個“新東西”、新規律應用到某個領域，發揮它的作用。

　　第三個層級是拓展。不僅可以應用，我們還能對這個新規律、新知識進行拓展，在其他領域產生新的發現和應用。甚至有時拓展可能與發現同樣重要，因為它可能可以使這個材料更加實用，變得更便宜、更便捷。

　　以巨磁電阻效應為例

　　今天我講一講大家比較熟知的巨磁電阻效應。當一種材料加上磁場以后，載流子在流動的過程中會受到洛倫茲力影響而發生偏轉，從而產生電阻，即磁阻效應。一般情況下，材料的電阻會隨著磁場的增加而變大。

　　1988年，德國科學家Peter Grunberg教授和法國科學家Albert Fert教授發現在鐵磁/非鐵磁/鐵磁材料的三明治結構中，鐵磁材料的磁矩方向平行或反平行會引起電阻的巨大變化，這個現象就是巨磁電阻效應。巨磁電阻效應的發現非常重要，兩位科學家也因此獲得2007年諾貝爾物理學獎。

　　巨磁電阻效應的應用則具有劃時代的意義。當我們用磁介質存儲信息的時候，存儲單元越小，信息密度就越高，但磁信號也就越弱，也越難探測和控制。

　　1997年，英國物理學家S. Parkin利用巨磁電阻效應發明了一個非常靈敏的磁頭，可以讀取微弱的磁矩信息，從而將信息存儲的密度一下提高了4個數量級，這就造就了現在臺式電腦上所必備的硬盤。硬盤的應用就是基于科學發現，雖然用的是隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance），但基本原理是相通的。S. Parkin也因此獲得了千禧科技獎（Millennium Technology Prize）。

　　從霍爾效應到量子霍爾效應

　　接下來，我結合我個人的科研經歷，講一講我對科學研究的三個層次的一些理解。

　　1879年，美國物理學家霍爾在金屬或半導體上施加磁場，發現在垂直于電流和磁場方向會產生一個附加的電勢差，這一現象就是霍爾效應。在這個發現的基礎上，霍爾又做了進一步的拓展。1891年，霍爾將實驗材料更換為磁性材料，不再外加磁場，依靠材料本身的磁性，也能產生霍爾效應，這就是反常霍爾效應。

　　一百年以后，1980年，德國科學家Klaus von Klitzing發現整數量子霍爾效應。他也因此獲得1985年諾貝爾物理學獎。

　　1982年，美國貝爾實驗室的物理學家崔琦和H. Stormer發現分數量子霍爾效應，兩人與后來對這一現象作出解釋的R. B. Laughlin共同獲得了1998年的諾貝爾物理學獎。

　　2005年，英國科學家A. Geim和俄羅斯科學家K. Novoselov在實驗室中制備出石墨烯，發現了半整數量子霍爾效應，并因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

　　緊接著，三位美國科學家D. Thouless、F. Haldane、J. Kosterlitz發展了拓撲相變和拓撲相物質理論，從物理上解釋了量子霍爾效應的機理，從而獲得了2016年諾貝爾物理學獎。

　　由此可見，一個霍爾效應的發現拓展出來更多的科學發現。這就體現出：科學領域、研究方向的選擇是多么重要。所以，在科學研究中，“從0到1”的基礎上往往還有新的“從0到1”的發現。當你碰到了好的科學問題，你需要緊盯著它，不斷攻克它。

四、量子反常霍爾效應的發現過程

　　1988年，美國物理學家F. Haldane提出了可能存在不需要外加磁場的量子霍爾效應。但是人們一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理路徑。

　　2013年，我帶領我的研究團隊首次從實驗上觀測到了量子反常霍爾效應。從科學發現的角度來說，這是物理學領域的一項重要科學發現，我們也因此獲得了2018年唯一的國家自然科學獎一等獎。作為一名科學家，最榮耀的時刻，是從總書記手里接過獲獎證書。我們團隊成員王亞愚因此還獲得了“科學探索獎”。

　　量子反常霍爾效應實驗屬于研究哪一個層次？

　　從材料的角度看

　　前蘇聯有一位物理界的大師級人物，著名物理學家Lev Landau。他于上世紀30年代提出了基于對稱性破缺的相變理論。上世紀80年代，我們剛才講到的三位物理學家Thouless、Haldane、Kosterlitz提出新的相變理論，不需要對稱性破缺就可以實現相變，這就是拓撲相變。

　　本世紀初，賓夕法尼亞大學的C. L. Kane教授和斯坦福大學的張首晟教授提出了對應拓撲相變的材料——拓撲絕緣體。這種材料可以在不發生對稱性破缺的情況下產生相變，這奠定了實現量子反常霍爾效應的基礎。C. L. Kane和張首晟提出了拓撲絕緣體的想法之后，許多世界頂級實驗室都爭相投入到這個研究領域中。

　　到這里，要實現量子反常霍爾效應的材料體系基本上有了，那么我們怎么來實現呢？

　　從儀器的角度看

　　在經過了嚴格的科學訓練和多年的“7-11”科研生活之后，我想在科學儀器上進行一些拓展。于是我們思考，能不能搭一套超高真空分子束外延－掃描隧道顯微鏡－角分辨光電子能譜聯合系統？

　　我們在2002年把這套系統搭起來了。這樣，我們就可以在原子尺度上精確控制薄膜生長，又可以對薄膜生長形貌、缺陷以及電子結構等進行觀測。因為這個拓展，我們可以做出世界上最好的薄膜材料，這對量子反常霍爾效應的實現具有非常重要的意義。

　　量子反常霍爾效應的發現

　　有了高質量的拓撲絕緣體，下一步就是要實現量子反常霍爾效應。拓撲絕緣體本身是不具有磁性的，我們要想辦法引入鐵磁性。這就要求我們要制備出磁性的、拓撲的、體絕緣的高質量材料。要實現這個目的，就好比是要求一個全能冠軍在每一個單項上也必須是世界冠軍，這個難度是非常大的。

　　在這個關鍵時刻，我們的這套MBE-STM-ARPES設備系統真正有了用武之地。儀器的拓展對我們攻克科學難關起到了至關重要的作用。

　　當然這個過程也是非常艱難的。常常在近一年的時間里我們沒有任何進展。經過了20多位研究生4年多時間的努力，做出了1000多個樣品，終于在2012年12月，我們成功觀測到了量子反常霍爾效應。

　　五、總結

　　量子反常霍爾效應實驗，既有儀器方面的拓展，又有新材料的發現或制備，還有科學的突破，因而是一個比較好的反映三個層次的實驗。

　　現在，很多青年學者已經有了非常好的“金剛鉆”，我們能不能為世界科學做點貢獻？能不能為國家富強做點貢獻？

　　在我看來，科學研究真正的最高層次是這三點：

　　一是置身于人民幸福、國家富強和民族復興事業的家國情懷。我們必須要樹立“為國家做貢獻”的堅定目標，有“為民族復興事業而奮斗”的家國情懷。

　　二是為科技自立自強而奮不顧身的忘我奉獻精神。在座的每一位都是各自領域內的優秀學者，希望各位能夠發揚忘我的奉獻精神，為國家的高水平科技自立自強做出貢獻。

　　三是勇攀世界科技高峰、為國人爭光的英雄精神。在科學上，我們要樹立為國爭光、為民族爭光的英雄主義精神，激勵自己勇于攀登科學高峰。

　　最后，我想用一首我最喜歡的詩作為今天分享的結尾。來自唐代詩人杜甫的《望岳》：

　　岱宗夫如何？齊魯青未了。

　　造化鐘神秀，陰陽割昏曉。

　　蕩胸生曾云，決眥入歸鳥。

　　會當凌絕頂，一覽眾山小。

　　如果你用“蕩胸生曾云”的胸懷與境界去做科學研究，用“決眥入歸鳥”的專注和洞察力抓住事物本質，付出艱苦的努力和奮斗，總有一天你會登上更高的科學高峰，“會當凌絕頂，一覽眾山小”。

　　希望在座的優秀青年人肩負起時代賦予的使命和責任，樹立遠大理想，正確處理好三個層次的辯證關系，勇于啃硬骨頭，樂于潛心研究，為國家的高水平科技自立自強和人類科技進步貢獻青春與力量！

　　謝謝！