Der Wissenschaftler, der so müde war, dass er auf der Toilette einschlief, wurde der Gewinner des diesjährigen National Highest Science and Technology Award

▲Xue Qikun

Meilenstein

Das erste Mal traf ich den Akademiemitglied Xue Qikun Anfang 2019. Das von seinem Team durchgeführte Projekt „Experimentelle Entdeckung des anomalen Quanten-Hall-Effekts“ gewann 2018 den einzigen ersten Preis bei den National Natural Science Awards. Nobelpreisträger Yang Zhenning kommentierte sogar: „Dies ist das erste Mal, dass ein Physikergebnis auf Nobelpreisniveau aus einem chinesischen Labor stammt.“

Zu diesem Anlass organisierte das National Science and Technology Awards Office ein Interview mit Wissenschafts- und Technologiemedien und die Reporter umringten den Korridor des Physikgebäudes der Tsinghua-Universität. Xue Qikun führte die Teammitglieder an und begrüßte alle mit einem Lächeln im Gesicht. Er ist nicht groß, aber voller Energie. Wenn er lächelt, verengen sich seine Augen zu Schlitzen. Wenn er spricht, vermittelt sein Mandarin mit Shandong-Linyi-Akzent den Menschen ein besonders freundliches Gefühl, gerade wie ein „Onkel vom Nachbarn“.

Ohne komplizierte Routine oder Pomp lud Xue Qikun Reporter direkt in sein Labor ein und stellte allen vor Ort die experimentelle Situation vor. Das Betreten des Labors von Xue Qikuns Team ist wie das Betreten einer Science-Fiction-Welt mit allen möglichen komplexen Rohrleitungen, die die Geräte in Edelstahlhohlräumen verbinden, die mit silberweißer Alufolie umwickelt sind. Dies alles sind „Schätze“ bei der Suche nach dem quantenmechanischen anomalen Hall-Effekt.

Auf dem Gebiet der Physik hat der Hall-Effekt den Wissenschaftlern in den letzten hundert Jahren immer wieder zu Durchbrüchen verholfen. Darüber hinaus handelt es sich um das heißeste Thema im Bereich der Festkörperphysik und um das Gebiet mit der größten Zahl von Praktikern. In den letzten Jahrzehnten haben drei Teams den Nobelpreis für Physik für ihre wissenschaftlichen Durchbrüche im Bereich des Hall-Effekts erhalten. Seine Forschungsfortschritte beziehen sich auf die Entwicklung elektronischer Geräte und des Internets.

In den 1980er Jahren entdeckten Physiker den magischen Quanten-Hall-Effekt. Xue Qikun verwendete eine sehr bodenständige Metapher: Elektronen sind in ihrem Normalzustand chaotisch, sie bewegen sich ungeordnet und kollidieren ständig. Die Elektronen im Quanten-Hall-Effekt sind wie auf einer „Autobahn“, in deren Mitte eine Barriere den „Verkehr“ in zwei Richtungen trennt.

Dies bedeutet, dass der Quanten-Hall-Effekt das Problem der durch Elektronenkollisionen erzeugten Wärme lösen kann und ein enormes Anwendungspotenzial in der Quanteninformatik und der Quanteninformationsspeicherung hat. Die darauf basierende neue Generation elektronischer Chips wird einen extrem niedrigen Energieverbrauch haben. Für die praktische Anwendung gibt es jedoch ein unlösbares Problem: Es ist ein externes Magnetfeld erforderlich. Dieses Magnetfeld ist nicht nur teuer, sondern auch sperrig.

Der quantenanomale Hall-Effekt unterscheidet sich vom Quanten-Hall-Effekt. Es ist nicht auf ein starkes Magnetfeld angewiesen, sondern wird durch die spontane Magnetisierung des Materials selbst erzeugt. Daher ist seine Anwendung viel einfacher als die des zuvor entdeckten Quanten-Hall-Effekts. Wenn diese Entdeckung in die Praxis umgesetzt wird, wird sie den Energieverbrauch beim Betrieb von Transistoren erheblich senken, die Betriebsgeschwindigkeit von Mobiltelefonen und Computern erhöhen, den Speicherplatz vergrößern und das Problem der Wärmeentwicklung beim Betrieb elektronischer Geräte lösen. Sogar riesige Supercomputer, die derzeit die Größe eines Gebäudes einnehmen, könnten so tragbar werden wie ein Tablet-Computer.

Dies ist eine bahnbrechende Entdeckung. Aus diesem Grund haben theoretische Physiker seit den 1990er Jahren verschiedene Lösungsansätze vorgeschlagen und die weltweit führenden Forschungsgruppen wollten dieses Problem lösen. Allerdings wurden in den Experimenten keine Fortschritte erzielt.

Im Jahr 2008 schlug der chinesisch-amerikanische Physiker Shoucheng Zhang vor, mit dem quantenmechanischen anomalen Hall-Effekt in magnetischen topologischen Isolatoren zu experimentieren. Die Suche nach geeigneten Materialien ist jedoch mit großen Herausforderungen verbunden. Niemand weiß, ob und wann der quantenanomale Hall-Effekt in solchen Materialien beobachtet werden kann. Dies ist ein Projekt, das möglicherweise nicht im Laufe des Lebens abgeschlossen werden kann.

Xue Qikun konzentriert sich seit seiner Promotion auf die physikalische Forschung, und Festkörperphysik und Materialwissenschaften waren schon immer sein „Hauptgebiet“. Seit 2009 untersucht Xue Qikun mit seinem Team topologische Isolatoren. Er ist entschlossen, die Hypothese experimentell zu überprüfen und einen Beitrag zur experimentellen Realisierung des anomalen Quanten-Hall-Effekts zu leisten.

Da Sie sich für den abgelegenen Ort entschieden haben, sollten Sie sich bei Wind und Regen einfach auf die Reise konzentrieren. Angesichts des „Mount Everest“ der Physikwelt wich Xue Qikun keineswegs zurück und entschied sich für einen mutigen Vorwärtsschritt. Seiner Meinung nach muss man auf dem Weg der Wissenschaft manchmal die Regeln brechen, gewohntes Denken durchbrechen und neue Wege finden, um andere Szenarien zu betrachten.

Die Proben, die das Team um Xue Qikun für seine Experimente verwendete, wurden Schicht für Schicht mit Atomen aufgebaut. Sie waren nur wenige Nanometer dick, was einem Hunderttausendstel eines Haares entspricht, und jedes einzelne davon war äußerst schwierig herzustellen. Dies ist eine Arbeit, die sorgfältige Beobachtung erfordert, und jeder Hinweis im Experiment kann das Endergebnis verändern.

Über einen Zeitraum von vier Jahren bereiteten sie mehr als 1.000 Proben vor und erlebten zahllose Fehlschläge. Nach jedem Fehlschlag leitete Xue Qikun das Team erneut an, Proben zu verbessern und Methoden zu erneuern. Wenn er mit der Frustration seiner Teammitglieder konfrontiert wurde, ermutigte er sie stets, dass „Misserfolge unsere Wahrnehmung bereichern und uns viele neue Informationen liefern, was auch eine wertvolle Erfahrung ist.“

Erst um 22:30 Uhr Am 12. Oktober 2012 erhielt Xue Qikun eine SMS von seinem Schüler: „Lehrer Xue, der quantenmechanische anomale Hall-Effekt ist aufgetreten und wartet auf detaillierte Messungen.“ Er erinnerte sich, dass er sein Herzklopfen unterdrückte und sofort anrief, um die Situation zu bestätigen. Anschließend kehrte er schnell ins Labor zurück, organisierte sofort die Teammitglieder, entwarf mehrere Pläne und führte das nächste Experiment durch. Nach zwei Monaten intensiver Tests und kontinuierlicher Forschung konnte das Team um Xue Qikun schließlich perfekte experimentelle Daten testen und damit ein globales Problem überwinden, das die Welt seit mehr als 130 Jahren plagte. Die Rezensenten des Magazins Science bezeichneten es als „einen Meilenstein auf dem Gebiet der Festkörperphysik“.

▲Xue Qikun (erster von links) tauscht sich mit einer Delegation des Fachbereichs Physik der University of Pennsylvania aus

Mach es bis zum Äußersten

Xue Qikuns Ausdauer, Hartnäckigkeit und Streben nach Exzellenz sind auf die Härten seiner Teenagerjahre zurückzuführen. Er wurde im Dezember 1963 in einem kleinen Dorf in den Yimeng-Bergen der Provinz Shandong geboren. Aufgrund der Härten des Lebens war er schon in jungen Jahren die treibende Kraft hinter der Farmarbeit in der Familie. Während er in einer solchen Umgebung aufwuchs und mit Armut, Hunger und rückständigen Lebensbedingungen zu kämpfen hatte, war er noch begieriger darauf, sein Wissen zu nutzen, um sein eigenes Schicksal zu ändern und eine Tür zu einem Leben außerhalb des Bergdorfes zu öffnen.

Der Mangel an materiellen Bedingungen hinderte Xue Qikun nicht daran, ein großer Wissenschaftler zu werden. Im Alter von 17 Jahren wurden seine Bemühungen belohnt – er wurde offiziell Erstsemester an der Fakultät für Optik der Shandong-Universität und begann eine neue Reise. Nach seinem Universitätsabschluss wurde Xue Qikun als Physiklehrer an die Qufu Normal University berufen, die damals als beneidenswerte „eiserne Reisschüssel“ galt. Doch mit dem langweiligen, aber stabilen Leben im wirklichen Leben war er nicht zufrieden und hatte seinen Traum, Wissenschaftler zu werden, aus seiner Jugend nicht vergessen. Um Wissenschaftler zu werden, muss man weiter studieren und sich eingehender mit Lernen und Praxis beschäftigen. Xue Qikun hat zweimal an der Aufnahmeprüfung für das Aufbaustudium teilgenommen. Beim ersten Mal erreichte er 39 Punkte in höherer Mathematik und beim zweiten Mal 39 Punkte in Physik. Diese beiden Misserfolge waren schwere Schläge für ihn. Nachdem er sich jedoch unter dem Druck aller Seiten zum dritten Mal auf die Prüfung vorbereitet hatte, bestand er die Prüfung schließlich und wurde am Institut für Physik der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften aufgenommen, um Festkörperphysik zu studieren.

Die Erfahrung, dreimal an der Aufnahmeprüfung für das Aufbaustudium teilzunehmen, veranlasste Xue Qikun, tiefer über sich selbst nachzudenken. Er erkannte, dass er nicht besonders schlau war und dass sein vorübergehender Erfolg eher auf seine harte Arbeit und seine Hartnäckigkeit, Rückschläge zu ertragen, zurückzuführen war. Ob Studium oder wissenschaftliche Forschung – es erfordert langfristige, solide und praxisorientierte Arbeit und erfordert, bei jedem Forschungsschritt sein Bestes zu geben. Studieren ist wie Menschsein. Man darf nicht fälschen oder Kompromisse eingehen und muss jeden Weg konsequent beschreiten. Xue Qikun hat diese Wahrheit sehr früh verstanden.

Während seines Doktoratsstudiums bekam Xue Qikun auf Empfehlung seines Betreuers Lu Hua die Möglichkeit einer gemeinsamen Ausbildung zwischen China und Japan und ging zum Auslandsstudium an das Institute of Metal Materials der Tohoku-Universität in Japan. Dies ist das älteste universitätsnahe Forschungsinstitut Japans und ein Traumziel für Physikstudenten. Doch sobald das Flugzeug gelandet war, traten Schwierigkeiten auf. Das größte Problem ist die Sprachbarriere. Xue Qikun sprach kein Japanisch und da er neu dort war, konnte er mit dem Tempo überhaupt nicht mithalten. Er konnte die Anweisungen seines Vorgesetzten im Labor nicht verstehen. Wenn andere Experimente durchführten, konnte er nur verständnislos zusehen. Er war immer einen Schritt langsamer als andere und wurde dafür oft von seinem Vorgesetzten kritisiert.

Mentor Toshio Sakurai ist für seine Strenge und Disziplin bekannt. Sein Labor ist als „7-Eleven-Labor“ bekannt, weil Toshio Sakurai von seinen Teammitgliedern verlangt, sechs Tage die Woche zu arbeiten, um 7 Uhr morgens ins Labor zu kommen und es nicht vor 23 Uhr zu verlassen. Xue Qikun erinnert sich an seine Ankunft in Japan, als er jeden Tag drei Dinge tat: essen, schlafen und wissenschaftliche Forschung betreiben. Manchmal bin ich so müde, dass ich auf der Toilette einschlafe.

Einmal wurde Xue Qikun von seinem Ausbilder gebeten, drei Tage damit zu verbringen, Zehntausende von Schrauben ordentlich nach Kategorien zu ordnen. Xue Qikun konnte dies zunächst nur schwer akzeptieren und empfand es als „eine Beleidigung für mich“. Doch als er sich wieder beruhigt hatte, erkannte er, dass dies genau die Art und Weise war, wie sein Mentor seine auf Exzellenz ausgerichtete Einstellung mäßigen wollte – und genau diese Einstellung braucht die Wissenschaft am meisten.

Von da an war Xue Qikun jeden Tag der Erste, der im Labor ankam, und der Letzte, der es verließ. Nach und nach war ich in der Lage, die Aussagen des Dozenten zu verstehen und die Versuchsgeräte zu bedienen. Experimente mögen wie einfache Wiederholungen erscheinen, doch tatsächlich bringt jeder Schritt Veränderungen mit sich, die unerwartete Ereignisse, Überraschungen und Gewinne mit sich bringen. „Nur durch viel Lernen, Anhäufung und Übung kann man eine bessere wissenschaftliche Intuition entwickeln.“ Diese scheinbar dumme Methode, „eine starke Festung zu bauen und eine dumme Schlacht zu schlagen“, hat Xue Qikun zu einem der Schüler im Team gemacht, der sich am meisten verbessert und am schnellsten entwickelt hat, ohne dass er es bemerkt hat. Schließlich veröffentlichte er einen Artikel in der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschrift und seine wissenschaftlichen Forschungsergebnisse wurden zu den bahnbrechendsten wissenschaftlichen Forschungsergebnissen des Labors von Sakurai Toshifu seit fast 30 Jahren.

Obwohl er im Ausland war, verfolgte Xue Qikun die Entwicklung der Physik in China stets aufmerksam und war entschlossen, das fortgeschrittene Wissen, das er in Japan erworben hatte, nach China zurückzubringen. 1999 wurde er für das „Hundred Talents Program“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ausgewählt. Nachdem er acht Jahre lang im „7-11-Labor“ gearbeitet hatte, gab er die günstigen Bedingungen in Japan entschlossen auf und kehrte nach China zurück, wo er als Direktor des National Key Laboratory of Surface Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eingestellt wurde. Im Jahr 2005 wechselte Xue Qikun an die Fakultät für Physik der Tsinghua-Universität und wurde im selben Jahr als jüngster Wissenschaftler zum Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ernannt.

Auch nach seinem Erfolg hält Xue Qikun in Japan immer noch an seinem Arbeits- und Ruheplan fest, und das schon seit über 20 Jahren. Seine akademischen Anforderungen an die Studenten sind ebenso streng wie die seines japanischen Mentors an ihn selbst und beginnen mit einer soliden Grundausbildung. „Beim Schreiben eines Berichts werde ich auch auf einen Zeichensetzungsfehler hinweisen. Beim Bedienen eines Instruments, egal ob im oder gegen den Uhrzeigersinn, muss ich es mit geschlossenen Augen korrekt bedienen können.“ Xue Qikun lächelte. Der Zweck des „Fehlerfindens“ sei natürlich nicht die Bestrafung, „denn wissenschaftliche Forschung kann nicht schlampig sein. Nur durch äußerste Genauigkeit im täglichen Leben können wir einen exzellenten wissenschaftlichen Forschungsstil kultivieren.“

▲Xue Qikun unterrichtet

Hart arbeiten ist wie einen Brunnen graben

Angesichts des globalen Wettbewerbs wird derjenige, der über mehr und bessere Talente verfügt, in der Lage sein, im Wettbewerb die Initiative zu ergreifen und in Zukunft zu gewinnen. Dies gilt für die Branche und das Land. Xue Qikun hat die Talentförderung stets als eine wichtige Aufgabe für die langfristige Entwicklung der Wissenschaft angesehen. Im November 2020 wurde er Präsident der Southern University of Science and Technology (im Folgenden „SUSTech“ genannt) und schloss damit seinen Rollenwechsel vom Wissenschaftler zum Leiter einer Universität ab.

Als eine neue Art öffentlicher Forschungsuniversität mit hohem Ausgangspunkt und hoher Positionierung, die im Kontext der chinesischen Hochschulreform und -entwicklung etabliert wurde, gilt SUSTech als „Experimentierfeld für die chinesische Hochschulreform“. Xue Qikun hat unermüdlich daran gearbeitet, eine Reihe von Reformmaßnahmen auf den Weg zu bringen und das wissenschaftliche Forschungsmodell und das Talentausbildungsmodell anzupassen. Vorschlag der „SUSTech 2035-Frage“; Schaffung der „drei großen Entwicklungsstrategien“ von SUSTech; Schaffung eines Ausbildungsmechanismus für „Berufsbildung + Allgemeinbildung“, „Hochschule + Fachbereich“, „Wissenschaft und Bildung + Industrie-Ausbildung“ usw.

Als innovative Universität mit Stärken in den Naturwissenschaften und im Ingenieurwesen unternimmt die South China University of Technology unter der Leitung von Xue Qikun jede Anstrengung, um originelle Innovationen von 0 bis 1 zu fördern. Er sagte, dass Grundlagenforschung gleichbedeutend mit der Grundsteinlegung sei. Es ist nicht glamourös oder hell, unterstützt aber die Stabilität und Aufrichtigkeit des gesamten Gebäudes. Das größte Merkmal der Grundlagenforschung ist die Unsicherheit. Um Durchbrüche zu erzielen, seien langfristige Investitionen erforderlich und „niemand weiß, wann diese erzielt werden.“ Xue Qikun wies daher ausdrücklich darauf hin, dass wissenschaftliche Forschung nicht einfach auf Grundlage der Ergebnisse bewertet werden könne und dass die Bewertung nicht in ein gewöhnliches „Maß“ verwandelt werden könne, das wie das Zählen von Produkten anhand der Quantität gemessen werde.

Um den Bewertungsmechanismus weiter zu verbessern, eine gute Atmosphäre für die wissenschaftliche Forschung zu schaffen und jungen Menschen die Möglichkeit zu geben, sich auf die Grundlagenforschung zu konzentrieren und langfristige wissenschaftliche Forschungsarbeiten durchzuführen, hat die South China University of Technology ein relativ flexibles System langfristiger und quasi-beschäftigungsähnlicher Beschäftigungen eingeführt, um jungen Lehrern unabhängige Labore sowie dieselben Ressourcen für Absolventen und wissenschaftliche Forschung wie anderen erfahrenen Lehrern zur Verfügung zu stellen und ihnen eine Bühne für unabhängige wissenschaftliche Forschung zu bieten, wodurch sie viele herausragende junge Wissenschaftler anziehen.

Zeng Guofan sagte einmal: „Hart zu arbeiten ist wie einen Brunnen zu graben. Anstatt mehrere Brunnen zu graben, von denen keiner die Quelle erreicht, warum nicht bei einem Brunnen bleiben, hart danach streben, die Quelle zu erreichen, und sie unerschöpflich nutzen!“ Xue Qikun betrachtet wissenschaftliche Forschung auch als das Graben eines Brunnens zur Wassergewinnung. Nach dem Ausheben des weichen Bodens an der Oberfläche können sich darunter harte Gesteinsschichten befinden. Dies ist der kritische Moment, um Menschen zu testen. Sie müssen lernen, verschiedene Werkzeuge und Methoden anzuwenden und weiter zu graben, nur dann kann süßes Quellwasser hervorsprudeln. Achten Sie darauf, den Standort nicht zu wechseln, wenn Sie auf Schwierigkeiten stoßen. Geben Sie nicht nach einem kurzen Versuch auf. Das Ergebnis wird Tag für Tag, Jahr für Jahr dasselbe sein. Selbst wenn Sie den ganzen Hügel umgegraben haben, werden Sie am Ende nur die Quellen am Berg beneiden können und kein Trinkwasser haben, und es wird schwierig sein, Erfolg zu haben.

Xue Qikun ist ein mutiger und entschlossener Brunnengräber, der niemals so schnell aufgibt. Seiner Meinung nach gehören auch Höhen und Tiefen aller Art zu den unverzichtbaren Erfahrungen im Leben. Solange Sie sich etwas vornehmen, dabei bleiben und jeden Tag Fortschritte machen, werden Sie mit Sicherheit bessere Ergebnisse erzielen und schließlich Ihr Ziel erreichen.

Wissenschaftliche Entdeckungen können zufällig sein, doch hinter diesen Zufällen verbergen sich zahllose unvermeidliche Anstrengungen. Ich hoffe, dass mehr junge Menschen das Interesse an der wissenschaftlichen Forschung entdecken und sich an anspruchsvoller wissenschaftlicher Forschungsarbeit beteiligen können. Xue Qikun hat große Erwartungen an die jüngere Generation. In einem Interview auf CCTV brachte er seine Sehnsucht zum Ausdruck: „Wenn jeder einzelne unserer über eine Milliarde Menschen hart daran arbeitet, nach Exzellenz zu streben, dann wird die große Erneuerung der chinesischen Nation nicht mehr weit entfernt sein.“