“高深”費米子背后的“簡單”科學

2017-07-11 12:09:23 來源:黃海新聞網 責任編輯:黃海新聞網

  

 

  圖為石友國(左)、翁紅明(中)、錢天(右)

  

 

  圖為固體材料中實驗發現的三種費米子:四重簡并的狄拉克費米子(左)、兩重簡并的外爾費米子(中)、三重簡并的新型費米子(右)。

  外界評價這次發現具有重大意義——打破常規分類的新型費米子研究,對于深入理解基本粒子性質具有重要意義。更為難得的是,該項研究從理論預言、樣品制備到實驗觀測的全過程,都由我國科學家獨立完成。

  近日,許多科技媒體都在重要位置報道了中國科學院物理研究所的科研團隊在拓撲物態研究領域取得的重大突破:我國科學家首次觀測到三重簡并費米子,為固體材料中電子拓撲態研究開辟了新的方向。這一研究成果于6月19日在線發表在《自然》上。

  外界評價這次發現具有重大意義——打破常規分類的新型費米子研究,對于深入理解基本粒子性質具有重要意義。更為難得的是,該項研究從理論預言、樣品制備到實驗觀測的全過程,都由我國科學家獨立完成。

  這個吸引全世界目光的成果出自中科院物理所一群年輕的科學家。翁紅明、錢天、石友國是這個團隊的骨干成員,他們來自不同的省市,學著不同的專業。同時,他們又有共同的經歷,比如都在90年代中后期進入大學,在21世紀初留學日本并迅速回國。在科研一線默默耕耘十幾年后,他們或許進入了“爆發期”。

  理論、樣品、實驗,一個都不能少

  在物理所的年輕人里,研究員翁紅明是小有名氣的一位,在知乎上就常有“方忠、戴希和翁紅明是不是代表了世界凝聚態物理的頂級水平”之類的“八卦”問題。作為理論物理學家,翁紅明專攻量子材料的計算和設計。2015年,他和方辰、戴希、方忠等一起,先理論預言再與實驗團隊合作,首次證實了外爾半金屬砷化鉭家族材料的存在。2016年,他們又進一步“預言”:在一類具有碳化鎢晶體結構的材料中存在三重簡并的電子態。此次《自然》發布的成果從實驗角度證實了一年前三重簡并費米子的預言是正確的。而這兩次實驗觀測的完成者便是物理所的丁洪、錢天團隊。

  通常,物理學分成兩大類,即理論物理和實驗物理。理論物理通過理論推導和公式推算得出的結論被稱為“預言”,“預言”必須通過實驗驗證才能成為國際公認的事實。

  有心人可能會注意到,物理所幾次重大發現的官方總結中都會反復提到,“理論預言、樣品制備到實驗觀測的全過程”,在科學家們看來,正是這三個環節的環環相扣才有了他們的屢次成功。“缺了哪一個環節都不行,這次能走在世界其他小組之前首次觀測到三重簡并費米子是大家通力合作的結果。”翁紅明說。

  翁紅明和錢天都說,科研僅靠一個人甚至靠一個小組的力量是不夠的,當有重要任務目標時,我們幾個小組無縫對接,無論是前年發現外爾半金屬還是這次發現三重簡并費米子,都勝在理論、樣品、實驗的緊密結合。

  這里就不得不提到樣品制備,不少研究機構或許會忽略這一環節。“但是物理所不存在這個問題。”石友國樂呵呵地說。他是物理所的研究員,樣品制備的專家,天生一副笑面孔,但練就了一身硬功夫。在此次發現三重簡并費米子的過程中,他經過幾次摸索,很快生長出高質量的樣品,為團隊贏得了寶貴的時間。

  既要埋頭苦干,也要閑聊天

  石友國笑稱自己干的是“體力活”。要說是體力活也確實沒錯,因為樣品制備和提取的過程不能間斷,而且對樣品的質量和尺寸的要求特別高,所以石友國和小組成員經常在實驗室里一待就是好幾個小時,戴著好幾層的手套,熱得渾身汗水、衣衫濕透。“我平時就愛搞點鍛煉,我這是體力活,身體不好干不了。”石友國笑著說。

  這體力活,石友國堅持干了十幾年,但同事們都說樣品生長更是一門手藝,需要在長期勞作中積累和摸索。國內外的同行常要找他拿樣品,沒樣品沒法做實驗。

  所以錢天算是“近水樓臺先得月”,很多樣品石友國總能第一時間為他制備出來。“這次就是石友國迅速制備出碳化鎢家族中的磷化鉬單晶樣品,經過幾個月的反復實驗測量,成功解析出磷化鉬的電子結構,觀測到其中的三重簡并點,與翁紅明他們的計算結果高度吻合,首次實驗證實突破傳統分類的三重簡并費米子。”錢天說。

  錢天長著一張娃娃臉,看起來有些不善言辭,但他自己卻說平日里最大的喜好就是閑聊。“以前覺得拼命看文獻、做實驗就能解決問題,后來發現與人的溝通交流也同樣重要,因為能從不同人那里獲得新思路、新方法。”他說。

  物理所的咖啡廳在圈里享有盛譽,傳說這里的咖啡好喝且常有各路“科學大咖”在這里“火花碰撞”。和前輩們一樣,翁紅明、石友國和錢天也把咖啡廳當作他們的小天地,翁紅明有什么新想法一定第一時間告訴他們,石友國和錢天在實驗過程中有什么新發現或疑惑也會第一時間反饋給翁紅明。

  “閑聊中就能交換信息,我們的交流是完全敞開的,毫無保留地讓大家知道我們做了什么。”翁紅明說。

  十年磨劍,也曾有彷徨迷茫時

  人們的想象中,理論物理學家的生活猶如“老僧入定”——坐著琢磨之后靈光乍現,但如今的他們早已換了節奏。“每天上班的第一件事就是查看國際上最新的科研進展,了解世界最前沿的研究和進展,然后分析、思考、計算,之后把自己的想法跟同事們交流。”翁紅明說。

  從2000年在南京大學攻讀理論物理博士學位到現在,翁紅明在這個領域已積累了十多年,始終在自己的科研方向上堅持不懈。但是在物理所,他們還是小字輩。

  說起來,這代年輕的科學家承受了不少壓力。在他們之前有許多成績斐然的前輩,在他們之后又有許多光環加身的海歸才俊。他們也曾疑惑:“自己的研究到底能不能做出了不起的成果?”

  “但是這些年來,我一直在堅持,做起樣品來越來越順手。”石友國說。錢天也有同樣的感覺。他說,實驗過程有許多不確定因素,成功、失敗都是常有的事。像這一次三重簡并費米子的實驗觀測中間就有過不少波折,幸運的是堅持實驗幾個月后,他們終于獲得了成功。實驗一旦開始,便是24小時不停歇,不分晝夜守在實驗室。熬夜是常事,錢天和他的同事們便是這樣“熬”過來的。

  幾個月前,錢天和石友國曾有過一次閑聊,探討的正是科研成果和科研信心的問題。聊到最后他們互相鼓勵說,堅持耕耘總會迎來收獲的一天。幾個月后,他們在《自然》發表三重簡并費米子的文章,贏得了全世界關注的目光。

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