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“高深”费米子背后的“简单”科学

来源:科技日报 作者:李艳 2017-07-10 14:25:25
内容摘要: 外界评价这次发现具有重大意义——打破常规分类的新型费米子研究,对于深入理解基本粒子性质具有重要意义。更为难得的是,该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程,都由我国科学家独立完成。

图为石友国(左)、翁红明(中)、钱天(右)

图为固体材料中实验发现的三种费米子:四重简并的狄拉克费米子(左)、两重简并的外尔费米子(中)、三重简并的新型费米子(右)。
(图片来源于中科院网站)

  外界评价这次发现具有重大意义——打破常规分类的新型费米子研究,对于深入理解基本粒子性质具有重要意义。更为难得的是,该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程,都由我国科学家独立完成。

  近日,许多科技媒体都在重要位置报道了中国科学院物理研究所的科研团队在拓扑物态研究领域取得的重大突破:我国科学家首次观测到三重简并费米子,为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果于6月19日在线发表在《自然》上。

  外界评价这次发现具有重大意义——打破常规分类的新型费米子研究,对于深入理解基本粒子性质具有重要意义。更为难得的是,该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程,都由我国科学家独立完成。

  这个吸引全世界目光的成果出自中科院物理所一群年轻的科学家。翁红明、钱天、石友国是这个团队的骨干成员,他们来自不同的省市,学着不同的专业。同时,他们又有共同的经历,比如都在90年代中后期进入大学,在21世纪初留学日本并迅速回国。在科研一线默默耕耘十几年后,他们或许进入了“爆发期”。

  理论、样品、实验,一个都不能少

  在物理所的年轻人里,研究员翁红明是小有名气的一位,在知乎上就常有“方忠、戴希和翁红明是不是代表了世界凝聚态物理的顶级水平”之类的“八卦”问题。作为理论物理学家,翁红明专攻量子材料的计算和设计。2015年,他和方辰、戴希、方忠等一起,先理论预言再与实验团队合作,首次证实了外尔半金属砷化钽家族材料的存在。2016年,他们又进一步“预言”:在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态。此次《自然》发布的成果从实验角度证实了一年前三重简并费米子的预言是正确的。而这两次实验观测的完成者便是物理所的丁洪、钱天团队。

  通常,物理学分成两大类,即理论物理和实验物理。理论物理通过理论推导和公式推算得出的结论被称为“预言”,“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认的事实。

  有心人可能会注意到,物理所几次重大发现的官方总结中都会反复提到,“理论预言、样品制备到实验观测的全过程”,在科学家们看来,正是这三个环节的环环相扣才有了他们的屡次成功。“缺了哪一个环节都不行,这次能走在世界其他小组之前首次观测到三重简并费米子是大家通力合作的结果。”翁红明说。

  翁红明和钱天都说,科研仅靠一个人甚至靠一个小组的力量是不够的,当有重要任务目标时,我们几个小组无缝对接,无论是前年发现外尔半金属还是这次发现三重简并费米子,都胜在理论、样品、实验的紧密结合。

  这里就不得不提到样品制备,不少研究机构或许会忽略这一环节。“但是物理所不存在这个问题。”石友国乐呵呵地说。他是物理所的研究员,样品制备的专家,天生一副笑面孔,但练就了一身硬功夫。在此次发现三重简并费米子的过程中,他经过几次摸索,很快生长出高质量的样品,为团队赢得了宝贵的时间。

  既要埋头苦干,也要闲聊天

  石友国笑称自己干的是“体力活”。要说是体力活也确实没错,因为样品制备和提取的过程不能间断,而且对样品的质量和尺寸的要求特别高,所以石友国和小组成员经常在实验室里一待就是好几个小时,戴着好几层的手套,热得浑身汗水、衣衫湿透。“我平时就爱搞点锻炼,我这是体力活,身体不好干不了。”石友国笑着说。

  这体力活,石友国坚持干了十几年,但同事们都说样品生长更是一门手艺,需要在长期劳作中积累和摸索。国内外的同行常要找他拿样品,没样品没法做实验。

  所以钱天算是“近水楼台先得月”,很多样品石友国总能第一时间为他制备出来。“这次就是石友国迅速制备出碳化钨家族中的磷化钼单晶样品,经过几个月的反复实验测量,成功解析出磷化钼的电子结构,观测到其中的三重简并点,与翁红明他们的计算结果高度吻合,首次实验证实突破传统分类的三重简并费米子。”钱天说。

  钱天长着一张娃娃脸,看起来有些不善言辞,但他自己却说平日里最大的喜好就是闲聊。“以前觉得拼命看文献、做实验就能解决问题,后来发现与人的沟通交流也同样重要,因为能从不同人那里获得新思路、新方法。”他说。

  物理所的咖啡厅在圈里享有盛誉,传说这里的咖啡好喝且常有各路“科学大咖”在这里“火花碰撞”。和前辈们一样,翁红明、石友国和钱天也把咖啡厅当作他们的小天地,翁红明有什么新想法一定第一时间告诉他们,石友国和钱天在实验过程中有什么新发现或疑惑也会第一时间反馈给翁红明。

  “闲聊中就能交换信息,我们的交流是完全敞开的,毫无保留地让大家知道我们做了什么。”翁红明说。

  十年磨剑,也曾有彷徨迷茫时

  人们的想象中,理论物理学家的生活犹如“老僧入定”——坐着琢磨之后灵光乍现,但如今的他们早已换了节奏。“每天上班的第一件事就是查看国际上最新的科研进展,了解世界最前沿的研究和进展,然后分析、思考、计算,之后把自己的想法跟同事们交流。”翁红明说。

  从2000年在南京大学攻读理论物理博士学位到现在,翁红明在这个领域已积累了十多年,始终在自己的科研方向上坚持不懈。但是在物理所,他们还是小字辈。

  说起来,这代年轻的科学家承受了不少压力。在他们之前有许多成绩斐然的前辈,在他们之后又有许多光环加身的海归才俊。他们也曾疑惑:“自己的研究到底能不能做出了不起的成果?”

  “但是这些年来,我一直在坚持,做起样品来越来越顺手。”石友国说。钱天也有同样的感觉。他说,实验过程有许多不确定因素,成功、失败都是常有的事。像这一次三重简并费米子的实验观测中间就有过不少波折,幸运的是坚持实验几个月后,他们终于获得了成功。实验一旦开始,便是24小时不停歇,不分昼夜守在实验室。熬夜是常事,钱天和他的同事们便是这样“熬”过来的。

  几个月前,钱天和石友国曾有过一次闲聊,探讨的正是科研成果和科研信心的问题。聊到最后他们互相鼓励说,坚持耕耘总会迎来收获的一天。几个月后,他们在《自然》发表三重简并费米子的文章,赢得了全世界关注的目光。

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