青春励志人物、第八届中国青少年科技创新奖获得者
清华大学物理系博士生 张金松
青年朋友们：
大家好！我叫张金松，是清华大学物理系2008级直博生，现在是博士六年级。从2009年起，我们的科研团队就致力于“量子反常霍尔效应”的实验研究，经过四年的艰苦努力，我们的研究终于取得了突破性进展。相关成果发表在，今年3月的美国《科学》杂志上。这一历史性突破也被杨振宁先生赞誉为“从我国的实验室里头，第一次做出并发表的诺贝尔奖级的物理学论文”，我作为实验团队的主要成员和论文的共同第一作者，很荣幸地获得了第八届中国青少年科技创新奖。
量子霍尔效应在物理研究中占据着极其重要的地位，此前相关研究已经三次获得诺贝尔物理奖。什么是量子霍尔效应呢？通俗地说就是，一块材料中的电子本来是杂乱无章、互相碰撞的，就好比是在农贸市场里的汽车，运行缓慢，还要不停的踩刹车。如果这个时候在材料的外面加上一个很强的磁场，（磁场都多大呢？要达到地磁场的几十万倍）。这时候的电子，都沿着材料的边缘运行，就好比给电子画出了一条专用的高速车道，使得电子都按照专门的车道行驶，互补干扰，这就是著名的量子霍尔效应。如果这个成果能够实际应用，就可以有效地减少电脑元件的发热问题和能量损耗。现在像屋子那么大的超级计算机将来有可能制作成只有iPad那么大。如果应用到我们手机上的话，存储量可以扩大上千倍，并且待机时间超长，运行速度也会非常快。几千TB的硬盘可以做成戒指那么大。
但是，要实现量子霍尔效应，需要外加强磁场，至少得是一个一人多高、衣柜一般大小的设备，价格也极其昂贵，很难应用在实际生活里。可以想象，如果要买了一台高性能的电脑，却得放在像衣柜那么大的装置里才能运行，那也太不方便了。所以，人们一直在想，能不能找到一种材料，在不需要磁场的情况下，就能让电子乖乖地有序运行，那样的话，应用起来就更加容易。科学家们期待的这种不需要磁场的量子霍尔效应就是我们研究的“量子反常霍尔效应”。但是，想实现这个现象，对材料要求非常严格，必须满足三个苛刻条件：拓扑特性，长程铁磁序，体内绝缘态。其难度就好比要找到这么一个人，具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧。在实际的材料中，实现以上任何一点都相当困难，而要同时满足这三点，对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。所以，霍尔效应发现130多年来，无数科学家钻研探索，始终无法实现量子反常霍尔效应。也正因此，得知我们实现了这一基础科学领域的重大突破后，杨振宁先生说，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验。今天我们的这个成果，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
现在回顾起来，我的体会是，这次科研的成功主要来源于我们团队的勤奋刻苦、不懈坚持和密切协作。
一、勤奋刻苦，是成功的前提
为了反常霍尔效应的量子化实验，我们的团队整整花了四年时间，历经1500多天的刻苦攻关，生长测量了超过1000个样品。这样说起来大家可能没有概念。我们的样品面积还不到小拇指指甲盖大小，厚度得是5纳米。每一块都需要在超高真空环境中慢慢生长出来，高1纳米或是低1纳米都不行。1个纳米是1mm的百万分之一。
我们团队中每一个成员都有自己的分工，我在实验中负责样品的输运测量这个环节。如果把样品生长比喻成炒菜的话，那我的工作就是品尝师。尝一尝菜做的好不好，是盐放多了还是火候炒过了。就相当于吃了四年难吃的菜之后，终于尝到了人间美味。
起初我们测量样品的速度，也可以说是尝菜的速度，比较慢，两个星期也就只能测六、七块的样子。后来我们用了一种新的处理方法，可以明显提高测量效率。用一种叫“铟”的金属，常温下质地很软，可以像切土豆一样，先切成片，再切成丝，最后再切成1mm那么大的小粒儿，按压到样品上就做成为电极。即使这样，准备和安装一个样品最快也要两个小时。在这2个小时中，不能打喷嚏，不能大口喘气，否则一口下去，2个小时做的东西就全吹没了。样品安装完毕之后，测量和后期的数据处理还得需要5，6个小时。如果再算上样品生长的时间，一个周期，总共需要15个小时左右。
我们团队的负责人是薛其坤老师，我们都爱称他711老师，也就因为他在做科研的时候，每天早上7点进实验室、晚上11点才离开。所以我们也都把薛老师作为学习的榜样。每天都要在实验室里至少干上10个小时，没有周末的概念，暑假也只是轮休一两周。
对于我自己而言，在整个项目上花费了至少1万个小时。现在流行一个“一万小时定律”，是说如果一个人要在某个领域或每一个方向上取得一定成绩的话，至少花费1万个小时。但是如果有人问我这一万小时带给我什么收获，我想最重要的收获是：懂得了勤奋。“勤奋”是两个方面的统一。一是“勤”，不辞辛苦，埋头苦干；二是“奋”，不怕困难，勇于挑战。现在我们很多同学在选择课程的时候，参考的标准有时候是这门课容不容易过，能不能拿到高分。或者是在选择课题的时候，专挑一些容易出成果，容易发文章的项目。其实，我们来大学的真正目的，不仅仅是为了一纸文凭或是漂亮的成绩单，更多是找到自己的追求，锻炼自己的能力。所以，越是需要扎实勤奋才能学好的课程、越是具有挑战性的研究项目，就越能够锻炼和提高自己。
二、坚持不懈，是成功的关键
要实现量子反常霍尔效应，一个关键指标必须达到2万5千8百欧姆。2011年以前的数据只有几个欧姆，才不到万分之一。后来2年多的时间内，我们通过不断优化生长参数，降低测量温度，去年的3月份能够达到量子化的一半以上，之后就一直停滞不前。最长的停滞期将近7个月。很难想象，一个实验进行半年多都没有任何进展，是什么样的一个状态。每次老师打来电话，大家你推我让，谁都不想去接，生怕听到老师失望的声音。有时候去吃饭，路上看见薛老师，我们都绕着走，就怕薛老师问实验进度怎么样。
但是，我们并没放弃。转机的出现也很神奇。平时，为了避免样品受到外界干扰，我们会在上面加一个覆盖层把它保护起来。后来有一个偶然的机会，发现材料表面不用任何保护时，反常霍尔电阻有明显的增大。说是偶然，也是必然，因为我们已经几乎把所有可能的情况挨个尝试，必然会找到想要的结果。终于，在2012年12月的一个晚上，我们彻底实现量子反常霍尔效应。
现在回想起来，我特别想和所有的同学们讲，没有谁能随随便便成功，遇到困难和失败是非常正常的，一次不失败就成功才是反常的。比如在科研中我们总共测量了1000块样品，正是因为经历了999次失败都没有放弃，才换得了最后一块的成功。为什么我们能如此坚强？因为我们并没有把失败当成失败，而只是把它当成一次难得的总结经验、发现问题、并解决问题的机会。只要这样才能不断提高，不断进步，最终达到目标。所以，在遇到困难和失败时，千万不要轻易选择放弃，坚持不懈才是通往成功唯一途径。不管前面的路有多艰难，都要坚定自己的理想，并为之努力奋斗。
三、团结协作，是成功的保证
我们的团队是由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学物理系和中科院物理所联合组成的，团队里有13名学生，都是名副其实的“85后。团队的两位指导老师也都只有30多岁。我的导师王亚愚老师是个充满能量和激情的人，他永远保持着积极向上的努力姿态，身体力行地向学生证明，科学是一种理想，做科研是一种乐趣，这给了我们很多”正能量“。同学们在团队中与人为善，互帮互助，共同讨论问题，解决问题，互相鼓劲打气、度过难关。四年的时间，我们见证了彼此的成长，也见证了最终的胜利。这种共同战斗的情谊，不仅是最终成功的保证，本身也是奋斗路途上的美丽收获。
四、胸怀梦想，是成功的源泉
每个人都有自己的梦想，每个人都曾经或一直为自己的梦想奋斗着。
我是一个热爱生活的人，希望自己的生活是充满梦想、不断奋斗的历程。对于现在的我来说，梦想是热爱，是小时候”我要当科学家“的懵懂愿望，也是在实验室中千百次重复仍乐在其中的真实感受。梦想是信念，是一种为人类创造更好未来的科学理想，也是时时刻刻力求完美、追求极致、坚韧不拔的科学精神。我深深知道，我们的成果之所以得到如此多的关注，不仅是因为是给物理学发展带来推动，更因为这是中国科学家在基础科学领域的一个突破、一次亮相。而我们的快乐和幸福感中，很大的一部分也是给中国科学界争了气、增了光，能够让我国家基础科学研究走在世界的前端。
谢谢大家！
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