近日，中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤與部分“科學(xué)探索獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)人、南方科技大學(xué)青年學(xué)者，以“關(guān)于研究的三個(gè)層次”為題，分享了自己在科研道路上的心得與經(jīng)驗(yàn)。他鼓勵(lì)青年科學(xué)家要不畏挫折失敗，堅(jiān)定沖擊科學(xué)前沿問(wèn)題的理想與信念，勇攀科學(xué)高峰。
以下為精選的分享內(nèi)容：
在今天這個(gè)非常溫馨的學(xué)術(shù)交流氛圍中，我想從自己熟悉的三個(gè)領(lǐng)域來(lái)分別談?wù)勱P(guān)于研究的三個(gè)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(shí)驗(yàn)方法或理論方法。這是我們科學(xué)研究的“金剛鉆”，是做理論研究、實(shí)驗(yàn)或工程研究的利器。
其次是材料。也就是我們的研究對(duì)象，它可以是生命科學(xué)中的生命體例如猴子、老鼠和植物等，也可以是物質(zhì)科學(xué)中的非生命體。所有的科學(xué)研究要“寄托”在這些“材料”基礎(chǔ)之上。
第三是發(fā)現(xiàn)。這里主要指科學(xué)發(fā)現(xiàn)，可以是理論研究的發(fā)現(xiàn)，也可以是實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)現(xiàn)。
下面我從以上幾個(gè)角度，談?wù)勎覍?duì)科學(xué)研究的理解。
一、從儀器角度看科學(xué)研究的三個(gè)層次
在這個(gè)領(lǐng)域里，我們可以把研究分為三個(gè)層次：
第一個(gè)層次是發(fā)明。比如發(fā)明一個(gè)全新的科學(xué)儀器，一個(gè)全新的理論方法，一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，一種全新的研究自然的手段。這可以稱之為“從0到1”，即創(chuàng)造了原來(lái)沒(méi)有的東西。
第二個(gè)層次是拓展。是指我們用不同的方式和手段，對(duì)工具或儀器功能進(jìn)行拓展，獲得儀器功能的提升。這個(gè)過(guò)程可以稱為“從1到10”。
第三個(gè)層次是應(yīng)用。將工具或儀器用于改變世界，用于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提高人民的幸福生活水平。這個(gè)過(guò)程是“從10到100”。
有時(shí)候“從0到1”的發(fā)明最重要，有時(shí)候“從10到100”的應(yīng)用也很重要。所以我們?cè)谡務(wù)摗皬?到1”的突破性研究時(shí)，也不可忽視“從10到100”的拓展研究。這是一條完整的創(chuàng)新鏈。例如，有人研究“從8.0到8.1”這種微小的技術(shù)進(jìn)步，也有人研究“從10到20”的技術(shù)變革，每個(gè)人在不同的階段都可以有非常精彩的表現(xiàn)。
以掃描隧道顯微鏡為例
電子顯微鏡早在上世紀(jì)30年代就已經(jīng)發(fā)明，而掃描隧道顯微鏡的發(fā)明相對(duì)較晚，是在1981年由德國(guó)科學(xué)家G. Binnig和瑞士科學(xué)家H. Rohrer發(fā)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(fā)明者Ruska一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
掃描隧道顯微鏡的工作原理是量子隧穿效應(yīng)（Quantum Tunneling）。當(dāng)原子尺度的針尖與樣品之間的距離小于1nm時(shí)，在外加電壓的條件下，針尖與樣品之間會(huì)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)而有電子逸出，從而形成隧道電流。
這兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)建立隧穿以后，針尖與樣品的距離每變化一個(gè)?（0.1nm），電流就會(huì)變化一個(gè)量級(jí)。樣品表面原子尺度上凹凸不平對(duì)電流的改變是非常大的，這就給我們提供了一個(gè)在原子尺度上探測(cè)表面形貌的強(qiáng)大工具。掃描隧道顯微鏡使人類可以在實(shí)空間實(shí)現(xiàn)原子分辨測(cè)量，這對(duì)于表面物理研究等領(lǐng)域的推動(dòng)作用是極大的。這是一個(gè)非常偉大的發(fā)明。
掃描隧道顯微鏡的技術(shù)拓展也非常重要。上世紀(jì)90年代，納米科學(xué)興起，掃描隧道顯微鏡作為原子尺度的科學(xué)利器，出現(xiàn)了多個(gè)方面的拓展：其中一個(gè)是來(lái)自IBM實(shí)驗(yàn)室的Don Eigler所做的原子操縱，一個(gè)是華人科學(xué)家Wilson Ho所實(shí)現(xiàn)的化學(xué)分辨。
其他方面的技術(shù)拓展還有時(shí)間分辨/超高真空/高壓STM、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，這些非常強(qiáng)大的表征工具都是因掃描隧道顯微鏡的發(fā)明而逐漸發(fā)展起來(lái)。
所以，在實(shí)驗(yàn)工具方面，這些發(fā)明、拓展和應(yīng)用的工作，都值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。如果在你的科學(xué)生涯中遇到了已經(jīng)發(fā)明的重要科學(xué)儀器，可以再想想，是否有機(jī)會(huì)對(duì)它做進(jìn)一步拓展呢？
二、從材料角度看科學(xué)研究的三個(gè)層次
同樣，在材料研究領(lǐng)域，我們也可以分為三個(gè)層次：發(fā)明、應(yīng)用、拓展。
我們發(fā)現(xiàn)、發(fā)明一個(gè)新材料，找到它的應(yīng)用，可以思考一下是不是有進(jìn)一步的拓展。例如我們發(fā)現(xiàn)II、VI族的化合物有某一項(xiàng)特殊的應(yīng)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(yōu)異的新材料。所以，材料科學(xué)的研究也有這樣三個(gè)層次。
三、從發(fā)現(xiàn)角度看科學(xué)研究的三個(gè)層次
我們來(lái)重點(diǎn)談?wù)効茖W(xué)發(fā)現(xiàn)。同樣地，科學(xué)發(fā)現(xiàn)也是有三個(gè)層次。
第一個(gè)層次是發(fā)現(xiàn)。是指發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的規(guī)律、新的效應(yīng)、新的知識(shí)等自然界的“新東西”，也就是“從0到1”。
第二個(gè)層次是應(yīng)用。是把這個(gè)“新東西”、新規(guī)律應(yīng)用到某個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮它的作用。
第三個(gè)層級(jí)是拓展。不僅可以應(yīng)用，我們還能對(duì)這個(gè)新規(guī)律、新知識(shí)進(jìn)行拓展，在其他領(lǐng)域產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。甚至有時(shí)拓展可能與發(fā)現(xiàn)同樣重要，因?yàn)樗赡芸梢允惯@個(gè)材料更加實(shí)用，變得更便宜、更便捷。
以巨磁電阻效應(yīng)為例
今天我講一講大家比較熟知的巨磁電阻效應(yīng)。當(dāng)一種材料加上磁場(chǎng)以后，載流子在流動(dòng)的過(guò)程中會(huì)受到洛倫茲力影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電阻，即磁阻效應(yīng)。一般情況下，材料的電阻會(huì)隨著磁場(chǎng)的增加而變大。
1988年，德國(guó)科學(xué)家Peter Grunberg教授和法國(guó)科學(xué)家Albert Fert教授發(fā)現(xiàn)在鐵磁/非鐵磁/鐵磁材料的三明治結(jié)構(gòu)中，鐵磁材料的磁矩方向平行或反平行會(huì)引起電阻的巨大變化，這個(gè)現(xiàn)象就是巨磁電阻效應(yīng)。巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)非常重要，兩位科學(xué)家也因此獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用則具有劃時(shí)代的意義。當(dāng)我們用磁介質(zhì)存儲(chǔ)信息的時(shí)候，存儲(chǔ)單元越小，信息密度就越高，但磁信號(hào)也就越弱，也越難探測(cè)和控制。
1997年，英國(guó)物理學(xué)家S. Parkin利用巨磁電阻效應(yīng)發(fā)明了一個(gè)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(chǔ)的密度一下提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)，這就造就了現(xiàn)在臺(tái)式電腦上所必備的硬盤。硬盤的應(yīng)用就是基于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，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(jiǎng)（Millennium Technology Prize）。
從霍爾效應(yīng)到量子霍爾效應(yīng)
接下來(lái)，我結(jié)合我個(gè)人的科研經(jīng)歷，講一講我對(duì)科學(xué)研究的三個(gè)層次的一些理解。
1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾在金屬或半導(dǎo)體上施加磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在垂直于電流和磁場(chǎng)方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，霍爾又做了進(jìn)一步的拓展。1891年，霍爾將實(shí)驗(yàn)材料更換為磁性材料，不再外加磁場(chǎng)，依靠材料本身的磁性，也能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，這就是反常霍爾效應(yīng)。
一百年以后，1980年，德國(guó)科學(xué)家Klaus von Klitzing發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。他也因此獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1982年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家崔琦和H. Stormer發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，兩人與后來(lái)對(duì)這一現(xiàn)象作出解釋的R. B. Laughlin共同獲得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
2005年，英國(guó)科學(xué)家A. Geim和俄羅斯科學(xué)家K. Novoselov在實(shí)驗(yàn)室中制備出石墨烯，發(fā)現(xiàn)了半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，并因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
緊接著，三位美國(guó)科學(xué)家D. Thouless、F. Haldane、J. Kosterlitz發(fā)展了拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎辔镔|(zhì)理論，從物理上解釋了量子霍爾效應(yīng)的機(jī)理，從而獲得了2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
由此可見(jiàn)，一個(gè)霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)拓展出來(lái)更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這就體現(xiàn)出：科學(xué)領(lǐng)域、研究方向的選擇是多么重要。所以，在科學(xué)研究中，“從0到1”的基礎(chǔ)上往往還有新的“從0到1”的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)你碰到了好的科學(xué)問(wèn)題，你需要緊盯著它，不斷攻克它。
四、量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程
1988年，美國(guó)物理學(xué)家F. Haldane提出了可能存在不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)。但是人們一直未能找到能實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理路徑。
2013年，我?guī)ьI(lǐng)我的研究團(tuán)隊(duì)首次從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。從科學(xué)發(fā)現(xiàn)的角度來(lái)說(shuō)，這是物理學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)，我們也因此獲得了2018年唯一的國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。作為一名科學(xué)家，最榮耀的時(shí)刻，是從總書(shū)記手里接過(guò)獲獎(jiǎng)證書(shū)。我們團(tuán)隊(duì)成員王亞愚因此還獲得了“科學(xué)探索獎(jiǎng)”。
量子反?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)屬于研究哪一個(gè)層次？
從材料的角度看
前蘇聯(lián)有一位物理界的大師級(jí)人物，著名物理學(xué)家Lev Landau。他于上世紀(jì)30年代提出了基于對(duì)稱性破缺的相變理論。上世紀(jì)80年代，我們剛才講到的三位物理學(xué)家Thouless、Haldane、Kosterlitz提出新的相變理論，不需要對(duì)稱性破缺就可以實(shí)現(xiàn)相變，這就是拓?fù)湎嘧儭?/p>
本世紀(jì)初，賓夕法尼亞大學(xué)的C. L. Kane教授和斯坦福大學(xué)的張首晟教授提出了對(duì)應(yīng)拓?fù)湎嘧兊牟牧稀負(fù)浣^緣體。這種材料可以在不發(fā)生對(duì)稱性破缺的情況下產(chǎn)生相變，這奠定了實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的基礎(chǔ)。C. L. Kane和張首晟提出了拓?fù)浣^緣體的想法之后，許多世界頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)相投入到這個(gè)研究領(lǐng)域中。
到這里，要實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的材料體系基本上有了，那么我們?cè)趺磥?lái)實(shí)現(xiàn)呢？
從儀器的角度看
在經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的科學(xué)訓(xùn)練和多年的“7-11”科研生活之后，我想在科學(xué)儀器上進(jìn)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(lián)合系統(tǒng)？
我們?cè)?002年把這套系統(tǒng)搭起來(lái)了。這樣，我們就可以在原子尺度上精確控制薄膜生長(zhǎng)，又可以對(duì)薄膜生長(zhǎng)形貌、缺陷以及電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行觀測(cè)。因?yàn)檫@個(gè)拓展，我們可以做出世界上最好的薄膜材料，這對(duì)量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。
量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)
有了高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體，下一步就是要實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。拓?fù)浣^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?fù)涞?、體絕緣的高質(zhì)量材料。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，就好比是要求一個(gè)全能冠軍在每一個(gè)單項(xiàng)上也必須是世界冠軍，這個(gè)難度是非常大的。
在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，我們的這套MBE-STM-ARPES設(shè)備系統(tǒng)真正有了用武之地。儀器的拓展對(duì)我們攻克科學(xué)難關(guān)起到了至關(guān)重要的作用。
當(dāng)然這個(gè)過(guò)程也是非常艱難的。常常在近一年的時(shí)間里我們沒(méi)有任何進(jìn)展。經(jīng)過(guò)了20多位研究生4年多時(shí)間的努力，做出了1000多個(gè)樣品，終于在2012年12月，我們成功觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。
五、總結(jié)
量子反?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)，既有儀器方面的拓展，又有新材料的發(fā)現(xiàn)或制備，還有科學(xué)的突破，因而是一個(gè)比較好的反映三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)。
現(xiàn)在，很多青年學(xué)者已經(jīng)有了非常好的“金剛鉆”，我們能不能為世界科學(xué)做點(diǎn)貢獻(xiàn)？能不能為國(guó)家富強(qiáng)做點(diǎn)貢獻(xiàn)？
在我看來(lái)，科學(xué)研究真正的最高層次是這三點(diǎn)：
一是置身于人民幸福、國(guó)家富強(qiáng)和民族復(fù)興事業(yè)的家國(guó)情懷。我們必須要樹(shù)立“為國(guó)家做貢獻(xiàn)”的堅(jiān)定目標(biāo)，有“為民族復(fù)興事業(yè)而奮斗”的家國(guó)情懷。
二是為科技自立自強(qiáng)而奮不顧身的忘我奉獻(xiàn)精神。在座的每一位都是各自領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)秀學(xué)者，希望各位能夠發(fā)揚(yáng)忘我的奉獻(xiàn)精神，為國(guó)家的高水平科技自立自強(qiáng)做出貢獻(xiàn)。
三是勇攀世界科技高峰、為國(guó)人爭(zhēng)光的英雄精神。在科學(xué)上，我們要樹(shù)立為國(guó)爭(zhēng)光、為民族爭(zhēng)光的英雄主義精神，激勵(lì)自己勇于攀登科學(xué)高峰。
最后，我想用一首我最喜歡的詩(shī)作為今天分享的結(jié)尾。來(lái)自唐代詩(shī)人杜甫的《望岳》：
岱宗夫如何？齊魯青未了。
造化鐘神秀，陰陽(yáng)割昏曉。
蕩胸生曾云，決眥入歸鳥(niǎo)。
會(huì)當(dāng)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(xué)研究，用“決眥入歸鳥(niǎo)”的專注和洞察力抓住事物本質(zhì)，付出艱苦的努力和奮斗，總有一天你會(huì)登上更高的科學(xué)高峰，“會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”。
希望在座的優(yōu)秀青年人肩負(fù)起時(shí)代賦予的使命和責(zé)任，樹(shù)立遠(yuǎn)大理想，正確處理好三個(gè)層次的辯證關(guān)系，勇于啃硬骨頭，樂(lè)于潛心研究，為國(guó)家的高水平科技自立自強(qiáng)和人類科技進(jìn)步貢獻(xiàn)青春與力量！
謝謝！
