——记北京科技大学物理系主任马星桥教授
本刊记者  刘 贺 

 
　　 相场方法起源于朗道的相变理论，是一种基于体系自由能计算的动力学方法，上个世纪中期曾被用于固体中扩散，Spinodal分解等过程的计算。80年代初，Khachaturyan发展了微弹性理论，使相场方法可用于涉及弹性变形的实际体系中。通过陈龙庆等人在90年代早期的计算机模拟工作，人们逐渐认识到了它在工程模拟方面的优势。它可以模拟相变过程，对模拟非均匀体系中畴或微观组织的形成和演化过程以及材料在非均匀体系中的物理性质十分有效。近年来，相场方法在材料计算模拟方面正越来越受到重视，有望发展成可用于材料和器件工程设计的计算机模拟手段。
　　 10多年来，北京科技大学物理系马星桥教授在相场模拟领域不断进取，主持和参与了多项国家级项目，并取得了丰硕成果。他长期工作在物理教学的第一线，并曾主管物理系的教学工作，使物理课的教学改革和课程体系建设获得显著进步。2011年，马星桥开始担任北京科技大学物理系系主任，他积极投入到物理系的学科建设、教学改革和国家工科物理教学基地建设中。以物理系教师为主，申报“北京市弱磁检测与应用工程中心”获得批准，组织承办了“2012多次度材料模拟计算国际研讨会”，与中国科学院半导体所合作，成立了“黄昆班”，联合培养半导体领域的高端人才，使物理系有了新的发展。
　　 面向未来，马星桥教授希望在相场方法模拟，特别是磁电介质相场计算领域有着更大的突破。同时，在教育教学及学科建设方面继续做出成就。为国家培养出更多的优秀人才。

漫漫求索路

　　 1977年的冬天，中断了十年的中国高考制度终于得以恢复，成千上万的人重拾求学之梦。虽是严寒冬季，可在这些人心里，已燃起熊熊大火。马星桥就是其中的一员，他如愿考上了北京钢铁学院（现北京科技大学）物理专业。从此，开启了物理探索之旅。
　　 经过十年“文革”，高校急缺教师，纷纷兴办师资班。马星桥成为了北京钢铁学院物理师资班的一员，1982年毕业后，他留校任教。一年后，他在职攻读了北京科技大学和中科院物理所联合培养的硕士研究生，在物理所磁学研究室学习并从事非晶态合金磁性、电性和热稳定性的研究。这段求学经历为他日后的科研方向的选择奠定了基础。1986年，马星桥硕士毕业，回校后，他兼顾教学和科研的工作。2000年，马星桥赴香港理工大学攻读博士学位，他的博士论文题目是“锆合金中氢化物在应力场中析出形貌的相场方法计算机模拟”。锆合金是一种核结构材料，在使用环境中会有氢化物析出，产生滞后断裂，影响使用寿命。博士论文工作使他对相场方法有了深入的理解，令他深深喜爱上这种与工程实际紧密结合的计算方法，从此开始了这一领域的探索。学习期间，他得到了相场方法专家陈龙庆教授的指点，此后他们的合作一直保持至今。博士毕业后，马星桥信守对母校的承诺，毅然选择回校任教，并结合他在磁学方面的研究经历，把主要科研方向集中在了电、磁材料物理性质的相场方法计算机模拟上。
　　 马星桥向记者介绍，很多工程材料由多相形成的微观组织或多畴结构构成。其宏观性质除了与每一单相的性质有关，还与微观组织的形貌或畴的结构密切相关。对材料微观组织的研究已成为材料研究中不可或缺的一环，相场方法对模拟相变过程中微观组织和畴的形貌演化十分有效。由于相场方法模拟的结构在介观尺度，介于宏观的连续介质尺度和微观的原子尺度之间，因此，相场方法可作为建立多尺度计算模型中的重要环节。相场方法的另一个特色是可以计算多种外场下的耦合作用和不同介质构成的复合材料的物理性质。马星桥在磁电材料相场模拟领域的工作主要集中在多场作用下多铁材料性质与调控的相场方法研究和自旋转移力矩及自旋轨道耦合对自旋输运性质影响的相场方法模拟与实验观察两个主要方向，两个方向的研究均取得了显著的进展。

丰富了磁电体系的相场方法

　　 2005年，马星桥课题组与陈龙庆教授合作，开始用相场方法研究铁磁性形状记忆合金Ni2MnGa的性质。他们对铁磁性马氏体赝弹性和伪塑性的特点从外磁场下的磁畴和马氏体变体耦合的角度进行了研究，得到了磁畴和马氏体变体的原位关系及其随外磁场及应力场的演化，这是实验中很难得到的结果，加深了人们对铁磁性马氏体超弹性及伪塑性现象机理的理解。
　　 马星桥向记者介绍，磁场驱动马氏体相变合金因被认为是潜在的磁制冷材料而成为研究热点，它包含磁场驱动下反铁磁马氏体到铁磁性奥氏体的相变。自该类合金被发现以来，对磁驱相变现象的理论研究和机理探讨一直是人们所热心的课题。磁驱相变需满足哪些条件？磁化强度，应变等相关物理量在应力场、磁场以及温度场的作用下或者在这些场的耦合作用下将如何变化等都是人们关心的问题。他们新建的相场模型可以模拟反铁磁相的相变过程，这种模型过去还未有过。他们还利用第一性原理对该合金体系的相变条件进行了研究。该研究有助于揭示磁场及应力场影响马氏体相变的的规律与机制，丰富了对磁场驱动铁磁性马氏体相变的认识，对帮助人们设计和开发高性能的新材料具有重要的现实指导意义。此外，马星桥还进行了铁电薄膜，铁电超晶格及铁电线与基底耦合，铁磁薄膜交换耦合作用研究，开发过多外场作用下铁电/铁磁复合多铁材料的相场计算程序，该程序利用GPU计算，速度比CPU程序提高27倍，结果在2012多尺度材料模拟计算会议上进行了报道。在铁磁性马氏体相变方向，他的课题组也进行了实验研究，发表了多篇实验论文。现在，马星桥课题组在多铁材料调控方法研究及其在自旋电子学器件应用方面与陈龙庆教授仍在合作开展研究。
　　 马星桥课题组自2007年开始即进行了自旋转移力矩（STT）对自旋翻转及自旋进动规律的相场方法及微磁学方法研究，该研究可以起到对利用电流驱动磁矩翻转的MRAM及纳米自旋振荡器辅助设计的作用。他们不但对电流驱动磁矩翻转规律进行了阐释，而且提出了一种实现四态存储的方案及一种实现磁矩垂直面进动（OPP）的方案。实现OPP是提高纳米自旋振荡器输出功率的一种可行方案。近年来，自旋轨道耦合效应对自旋输运的影响正成为研究热点，有望利用这种效应开发出新型的自旋电子器件。马星桥课题组正在研究既可包含STT作用又可包含自旋轨道耦合作用的相场计算方法及软件。与微磁学方法相比，相场方法不仅可以模拟磁性材料，而且可以加入多种外场（如电场和应力场）的作用和多种（如铁磁、铁电和铁弹性）材料的耦合，使之成为可用于新的自旋电子学器件的模拟和辅助设计的实用工具。这是课题组最近的重点研究方向。

教书育人是教师的光荣使命

　　 马星桥在从事科研的同时，也担任着教书育人的工作。他说：“我个人比较喜欢教书，越教越有感情，培养人才是一件很有意义的事情。”每当见到从前的学生，看着他们都有着出色的表现，马星桥心里甚是欣慰。
　　 在教师岗位上已工作30多个年头的马星桥，始终不忘如何为国家多培养一些人才。他认为，国家未来要看下一代人，人才的成长需靠学校的培养，教师是培养具有创新性人才的一个重要因素。“一个好的老师，本身应该具有探索和创新精神，这样才能有效影响到学生。而想要做到这一点，教师参加科研工作是最好的途径。”近些年来，北京科技大学物理系通过管理制度的改革，建立了纵向采取学术梯队，横向采取课程组的师资队伍模式，打破了科研与教学相分离、理论教学与实验教学相分离的局面。梯队负责人负责青年教师的科研能力的培养，课程负责人负责提高青年教师的教育教学水平，形成了通过科研活动使教师的学术水平和综合素质大大提高，教学与科研的结合使教学内容不断充实、与日新月异的高新技术紧密结合的良好互动局面。
　　 马星桥在美国做学术访问时曾留意到，学生对一些做出高水平科研工作的老师感到非常敬佩，这些老师在教学过程中潜移默化地把一些思考方法传给了学生。“他们不但教知识，而且教思想、教方法。走在科技前沿的老师往往能较快地将学生引领到前沿的研究工作中去，反过来，青年人的活跃思想和求知欲，也会对教师保持活力产生良好的影响。”马星桥总结道，“创新人才的培养，第一要打好学科基础，第二个是使他们能够比较早地进入到高水平的科研组，接触国际前沿的工作”。
　　 2013年，北京科技大学物理系与中国科学院半导体研究所合作，成立了旨在培养半导体领域高水平人才的“黄昆班”。马星桥向记者介绍，黄昆先生是我国著名的固体物理学家，我国半导体物理学的奠基人，他的工作具有广泛的世界影响。黄昆先生2001年获得国家最高科学技术奖。半导体所是中国半导体方面科研水平最高的单位，半导体所与北科大合作办学，旨在探索一条培养高水平人才的新途径。半导体所派部分老师来校讲学，毕业生中保送优秀学生到半导体所深造。目前，首届黄昆班已经本科毕业，全班25名学生中有22人保送或报考了研究生，全部被中科院半导体所、高能所，北京大学、中国科学院大学、紫金山天文台、北京科技大学录取，上研率达到100%。另外3名希望就业的学生也如愿找到自己满意的工作，全班就业率也达到100%。马星桥希望今后黄昆班能越办越好，带动物理系半导体物理及其他方向一起发展。
　　 近年来，北京科技大学物理系取得了一系列的好成绩：获得物理学一级学科博士点、国家工科物理教学基地、北京市实验示范中心；《大学物理》和《大学物理实验》两门课程获得北京市精品课程，3名教师获得北京市教学名师奖；2012年，以物理系教师为主申请的“北京市弱磁检测及应用工程中心”获得批准??其中均有马星桥付出的努力。马星桥是北京市精品课程《大学物理》、教育部《凝聚态物理专题》双语示范课的负责人，曾获宝钢教育奖-优秀教师奖，2010年获得北京市教学名师奖，2011年获政府特殊津贴，2012年成功组织了多尺度材料计算模拟国际研讨会。
　　 马星桥告诉记者，虽然取得了一些成绩，但是与国内领先的物理院系相比，还有相当多需要学习和提高的地方。他希望物理系坚持基础研究和应用研究相结合的原则，做出自己的特色。除了继续做强原有的学科方向外，在材料模拟计算方面的优势，他希望建设好北京市弱磁检测及应用工程中心，在半导体等方面有所发展。
　　 马星桥现在在科研和教学中丝毫未有松懈，他总觉得自己身上的担子还很重。他将继续在相场模拟计算及新磁电材料研究领域做一名奔跑者，带领团队奔向更好的未来。