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发布时间：2015-12-11
——记苏州大学教授冯岩
本刊记者 褚 焱
上世纪80年代之前，尘埃等离子体物理还只是天体物理的小分支，当90年代初期，尘埃等离子体在半导体刻蚀工艺中首次被发现，随后立刻在实验室成功实现后，全球物理学家对该领域表现出高度的热情，引发了一波持续至今的研究热潮，同时一系列重要实验成果不断涌现，苏州大学教授冯岩很荣幸地参与其中。
冯岩向记者解释，尘埃等离子体物理是研究在等离子体环境中纳米到毫米尺度的固体颗粒的一门新兴的交叉学科，研究课题涵盖了等离子体物理、天体物理、半导体加工工艺、凝聚态物理、软物质物理、流体物理、统计物理等。从2005年5月进入爱荷华大学Goree教授课题组开始接触尘埃等离子体以来，冯岩已有十年尘埃等离子体的研究经历。冯岩对尘埃等离子体开展的研究，主要以实验为主，同时结合模拟理论研究。
尘埃等离子体的三大新发现
尘埃等离子体具备常见的固体和液体的某些性质，像固体的弹性、液体的黏性等。因此它的黏弹性早有人预言，并已经用于一些理论研究，不过在实验上从未有人对其黏弹性有过真正的量化。冯岩及其科研团队从系统的剪切流以及应力张量的涨落行为着手，发明了根据颗粒动力学行为而计算出随波数变化的黏度和随频率变化的复数黏度的方法，从而量化其黏弹性，且已成功用于尘埃等离子体实验，系统地从实验上量化了尘埃等离子体在不同空间尺度和时间尺度上的黏弹性。
这一研究很快在尘埃等离子体领域获得广泛好评，冯岩说：“因为这项研究，作为第一作者，我获得了在美国举行的最重要的两个等离子体国际会议，APS-DPP年会和IEEE等离子体会议，特邀报告两次。”目前，冯岩的这项研究成果已经被别的研究组广泛应用。
尘埃等离子体的多种输运机制也是冯岩的研究内容之一。在尘埃等离子体实验和模拟中，扩散、黏度和热导这三种输运机制冯岩曾经都系统地研究过，做过一系列课题。在这其中，他在实验中发现了尘埃等离子体中存在的巨大的黏性致热现象，是目前所有实验体系中最极端的。除了在尘埃等离子体，这个实验结果在流体物理、强耦合等离子体物理、软物质物理等方面都有重要意义。
冯岩最初的研究目标是，希望能通过尘埃等离子体研究二维固液相变。基于此，他负责了相关项目的开展，完成了其中的两个实验：尘埃等离子体中的过热固体态和剪切导致熔化的演进过程。第一个实验实现了尘埃等离子体的过热固体态，这一特殊状态的发现是领先于尘埃等离子体理论，乃至更广的强耦合等离子体的理论预言，直接通过实验观测到了过热固体这一物理状态的存在。这个结果获得评审专家广泛认可，他们一致认为这个实验首次明确了缺陷在固液相变的作用，在凝聚态物理的众多领域都将有应用。第二个实验观测了尘埃等离子体从固体晶体因剪切导致熔化的演进过程。“我们的时空演进图揭示了剪切导致熔化这一过程中本质的物理图景。这一实验结果刚发表，立刻被国外做理论的课题组跟进，他们把相同的实验设计放进了液体环境下，通过数值模拟研究了由于剪切而引发的不稳定性。”冯岩解释道。
在探索中发展尘埃等离子体
尘埃等离子体实验最强大的地方在于它的探测手段，即单颗粒追踪系统，远远强大于其他的等离子体物理分支，乃至其他物理学系统。从颗粒追踪系统得到所有颗粒的精确的位置和速度，从而可以做进一步的结构和动力学分析。冯岩说：“随着实验精度的提高，常用的老方法中存在的一些系统误差造成了越来越严重的后果，例如峰值锁定误差。”工欲善其事必先利其器，针对这一缺陷，冯岩着手开发完善实验研究手段和技术。
在颗粒追踪系统的误差这个课题中，冯岩及其科研团队完成了两个项目：一个是关于颗粒位置，另一个是关于颗粒速度。“我们从硬件数据采集和软件数据分析两个方面的各个细节系统地分析了误差的来源，同时也提出了几个可行性建议使得实验分析的误差尽可能地最小化。”冯岩说。这两项工作都发表在了全球一流的实验仪器及技术类杂志Review of Scientific Instruments上，受到广泛关注，引用次数在该杂志当年发表的所有文章中分别排在前1.3%和并列前2.6%，包括被多篇PRL引用。
目前，世界上几乎所有做实验尘埃等离子体的课题组都在用冯岩发明的方法。更让冯岩和团队成员都引以自豪的是，其他领域，像流体、胶体、生物物理、甚至天文领域，都有不少文章在借鉴、引用这套方法。“每个学科都有其学科特点，利用尘埃等离子体独特的实验方法获得的成果能够被借鉴到其他领域是我们的荣幸。任何一个研究人员都有义务将自身领域的实验优势发扬光大，让自身小领域的发现给更多的人带来更大的应用。”冯岩说。
从尘埃等离子体研究的历程来看，其在1995年迎来大发展，全球相继组建了二三十个实验课题组，但德国和美国的课题组发展得最好，一直拥有着强势的主导权。作为一名海外归来的科学家，冯岩将搭建一套全新的尘埃等离子体设备，依托这套设备，培养一个科研团队，努力为我国尘埃等离子体在国际领域赢得话语权。冯岩说：“尘埃等离子体领域的研究，应该依托实验装置。综观当前世界强组，全是依托尘埃等离子体科研装置。2000年前后，国内也曾经有过尘埃等离子体研究热潮，在一线期刊上出过一系列重量级的成果。但当时国内几乎全部都是理论的课题组参与，缺乏大量的一手实验的支撑，做理论的研究人员兴趣一转，整个方向就立刻冷了下来。与大陆形成强烈对比的是台湾国立中央大学伊林教授，他带领的课题组有一个实验装置，正是依托这个实验装置，从20世纪90年代初到现在，他的课题组始终走在尘埃等离子体这个领域的前沿。”
除了与国际接轨，回国后的冯岩更意识到，这项研究需要与国家当前的重大需求接轨，积极参与国内当前如火如荼的等离子体物理研究计划。
开启苏州大学新征程
作为“青年千人计划”入选者，冯岩于2014年11月全职回国，钟情苏州大学。在苏州大学物理科学与技术学院和软凝聚态物理及交叉研究中心，冯岩正在为搭建一套全面的尘埃等离子体实验系统而忙碌。
他提到，与国外相比，国内在实验设备搭建方面相对难度较大，尤其一些设备被欧美管制，即使可以申请购买，审批手续也很繁琐，费时费力，“实验设备的运转关乎尘埃等离子体是否有新的研究成果，好的实验装置可以吸引相当数量的研究人员。如果能搭建起完整的实验设备，中国在尘埃等离子体领域将会有更好的发展。”
为此，冯岩希望能建设一支尘埃等离子体研究团队。深谙国外教学模式的冯岩非常重视学生的培养，他说：“非常幸运可以在Goree教授的课题组攻读博士学位，在那里的这些年，每做一个课题，从前期可行性立项开始，实验的准备到中期操作，数据分析，再到后期论文撰写、汇报报告，包括下一个课题的引入，Goree教授都会给予系统培训。这样的耐心不是每一个导师都能具备的，在这一方面，我将多多学习他，这可能会有利于学生在整个科研工作步骤上的把握以及思路上的引导。”
冯岩希望，经过三五年的发展，尘埃等离子体团队将会有两三名教授、副教授带领课题组的科研项目，两名左右专职工程师或实验员协助维护整套尘埃等离子体设备，以及多名研究生和博士后。
“我将尽我最大能力让我们课题组的研究在全世界尘埃等离子体届占据一席之地。”冯岩说。在尘埃等离子体这项神秘的研究中，冯岩已经走在前沿，而在苏州大学的奋斗中，冯岩才刚刚起步。
专家简介：
冯岩，“青年千人计划”入选者。南京大学物理系本科及硕士毕业，美国爱荷华大学博士毕业，2010至2012年在美国爱荷华大学做博士后，2012年至2014年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室担任主任博士后研究员。2014年11月，受聘苏州大学教授。
近年，在Physical Review系列杂志上发表论文15篇，其中包括第一作者在Phys. Rev. Lett.发表4篇，在Phys. Rev. E发表7篇。已为Phys. Rev. Lett.等近20个主流物理杂志审稿近百篇。2012年，获美国洛斯阿拉莫斯国家实验室主任博士后研究奖。
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