在这严格的工作环境下，他学会了怎么做扫描隧道显微镜实验，掌握了分子束外延技术。接到第一个课题后一年半，薛其坤就取得了一个重要突破，这也是樱井实验室30年来的最大成果之一。就这样，薛其坤成了樱井实验室当之无愧的科研骨干。用薛其坤的话说，“我这个最不受待见的‘丑小鸭’变成了‘小天鹅’”。

博士毕业后，薛其坤先后在日本东北大学金属材料研究所和美国北卡罗来纳州立大学物理系工作。但国外的职位并没有让他安心，“我始终无法踏实下来，即使是去买家具，也不愿意买太好的”，因为看到了中国与世界有着巨大的差距。薛其坤更加想回到祖国，“帮助国家做一点事”。

“山顶可能有樱桃”

1994年，中国科学院启动“百人计划”，朱日祥、曹健林、卢柯等14位杰出青年科学家率先回到祖国。1998年，在材料科学领域已颇有名气的薛其坤也入选该计划，回国进入中国科学院物理研究所工作。

2005年，薛其坤调入清华大学物理系任职，年底，42岁的他当选为中国科学院院士。不久后，他将目光投向了物理学的一个前沿方向：拓扑量子物态。

当时，芯片已然成为信息时代最重要的工具之一，是处理大量信息的“大脑”。在指甲盖大小的芯片里封装数十亿个晶体管，堪称人类最复杂的壮举之一。可是，当数据量指数性爆发，仅凭集成更多晶体管不再“一招鲜”，元器件的发热问题成为限制算力提升的瓶颈。

在材料中，电子的运动是高度无序的。电子和电子、电子和杂质会不断碰撞，产生电阻、发热等。如果给薄膜材料外加一个强磁场，电子有可能立即“规矩”起来，沿着边界不受阻碍地运动，这种有趣的现象叫做量子霍尔效应。1988年，美国的霍尔丹教授提出假设：在兼具自发磁化和电子态特殊拓扑结构状态下，有可能在不外加磁场的情况下产生量子霍尔效应。这就是量子反常霍尔效应。

多年来，量子反常霍尔效应如同一个传说中的“宝藏”，让各国物理学家魂牵梦绕，却没人能证明它真实存在。

2005年，一种新的概念——拓扑绝缘体概念被提出。科学家认为，在拓扑绝缘体薄膜中引入铁磁性，理论上有可能实现量子反常霍尔效应。

但找到这样的材料很难：它的边缘态能导电，内部又是绝缘体，还得具备磁性，而磁体通常为导电体，这是一个自相矛盾的要求。因此，有人将这项全球实验物理学家面临的巨大挑战，形容为“没有赛道的竞技场”。

薛其坤十分敏锐地捕捉到了这个新领域：“你能感觉到这个方向将会出现非常重要的东西。”这是一个重大科研机遇，“谁率先取得突破，谁就将在后续的研究和应用中占得先机。”

他的这份敏锐，也就是物理学家杨振宁常常提及的“学术品位”。

2008年，利用分子束外延生长等技术，薛其坤研究团队研制出了国际最高质量的拓扑绝缘体样品。

然而，能否在这种材料中观测到量子反常霍尔效应？何时能观测到？谁也不知道，很可能终其一生都无法完成。薛其坤说：“这是理论物理学家给我们画出的樱桃。山顶可能有樱桃，但到底有没有，不知道。”

2009年起，薛其坤团队开始对量子反常霍尔效应进行实验攻关。

一开始就不顺利，团队遭遇了长达1年多的瓶颈期，实验毫无进展，许多博士生觉得干不下去了。关键时刻，薛其坤说了一番话：“我们现在从事的实验工作是非常重要的，你们很可能发现到目前为止还从没有人看到过的东西。要是看到了，这一辈子都值了；要是看不到，你们也能从中历练、成长很多。”

这番话让团队成员“浑身发热”，重整旗鼓。

但光有激情还不够，勇闯“无人区”还要做好面对一次次失败的准备。实验的要求十分苛刻：必须要做出极其平整的拓扑绝缘体，表面凹凸1纳米都不行。每制备一个样品都非常不易，“顺利的时候一周能做出5块样品，不顺利的时候一个月也做不出来一块”。

一次实验不行，薛其坤就带着团队改进样品、创新方法；还是不行，就再改进、再创新。4年多的时间里，这种精细到苛刻的样品，薛其坤团队前后制备了1000多个。薛其坤常常开玩笑：“我们的机器没有停过，我们把机器都累‘死’了。”

薛其坤也没有停过。即使是出差回到学校，晚上11点多还是要去实验室。西装和领带来不及换下，一坐就是两个小时。北大物理系教授杨威生评价薛其坤：“这个家伙，吃苦耐劳异于常人。”

但连这个“吃苦耐劳异于常人”的人，也有感觉做不下去的时候。薛其坤坦言：“总是今天好像看到了希望，出去吃一顿大餐庆祝，结果明天发现还是不行。不知道采取什么新的实验方案。”

奇迹出现在2012年10月12日晚上10时35分。薛其坤收到学生常翠祖发来的一条短信：“薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”薛其坤不太敢相信自己的眼睛，立即打电话再三确认情况。可以确定的是，量子反常霍尔效应的迹象有了。“那一天，真是有点‘柳暗花明又一村’的感觉来了！”

但严谨的科学精神告诉薛其坤，一次结果不能说明问题，需要用不同的样品多次重复实验。薛其坤团队又进行了两个月的集中测试和不断钻研。大功告成的那天是2012年12月16日，他们用一组十分漂亮干净的数据，观测到了量子反常霍尔效应。

薛其坤（左三）和项目组主要成员一起庆贺观测到量子反常霍尔效应。

2013年4月10日，量子反常霍尔效应成果发布会在清华大学举行，杨振宁对此予以高度评价：“从中国实验室里第一次发表出来了诺贝尔物理学奖级别的论文……是整个国家发展中的喜事。”