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丁洪:追捕“幽灵粒子”的梦想家

来源:  发布时间:2015-12-10

本刊记者  王 辉
  
  47岁的丁洪坐在我们面前,一头乌黑的头发里面已经明显掺杂了星星点点的银丝。这些早生的白发记载了他归国七年来的辛苦和操劳。
  “丁老师非常敬业,经常凌晨12点了,还在回复我们的邮件,和我们讨论学术问题。”
  “老丁这个人,只要实验装置一开始运转,几天几夜呆在实验室里不出来,那都是家常便饭!”
  他的同事和学生们如是说。
  丁洪却极少会提及他在科研工作中的艰辛和困难,在他看来,作为一名科学家,遇到些困难都是科研道路上极为正常的事。相反,他总在感慨自己科研之路到目前为止都很顺利,即便是他在高温超导体研究方面以及不久前发现“外尔费米子”的存在这种国际性物理问题上取得了重大突破,也被他归结于自己的“运气不错”。
  然而在他这一句云淡风轻的“好运气”背后,却藏着多少不为人知的工作量和各种辛苦。
  丁洪很健谈,思维很跳跃。他和我们谈起他的“三个梦想”;谈起他“放养”的学生们又取得了哪些突破;谈起作为实验学家,他和那些理论学家们的对话;谈起他年轻时敢于向学术权威发起挑战;谈起他的各种国际化的跨界合作??
  最终话题还是不可避免地回到了不久之前国际上众多科研机构为发现有“幽灵粒子”之称的外尔费米子而展开的那场激烈的科研竞赛。最终,中科院物理所的团队从理论预言、材料生长到实验观测都是独立和同时完成,而丁洪正是“捕捉”到“幽灵粒子”的那个人。时至今日,他依然难掩兴奋:“这是今年物理学的一个重大发现!具有里程碑的意义!”
  
  捕捉“幽灵粒子”的国际竞赛
  
  “幽灵粒子”——听上去就是一个充满噱头的名词。而事实上,它确实也是让众多物理学研究者前仆后继苦苦寻找的奇特物质。
  时间倒溯回1928年,狄拉克提出描述相对论电子态的狄拉克方程。一年后,德国科学家外尔指出,狄拉克方程质量为零的解描述的是一对重叠在一起的具有相反手性的新粒子,这就是“外尔费米子”。然而这预言中的粒子却像幽灵一般足足困扰了科学家们80多年,他们始终无法在实验中观测到这种粒子。中微子曾经在很长时间内被认为是外尔费米子,但是后来因发现其质量不为零而放弃。
  虽然在宇宙中寻找外尔费米子的基本粒子异常困难,但近年来拓扑材料的发现和快速发展使得外尔费米子作为固体材料中的“准粒子”成为了可能性。这种在“固体宇宙”中寻找外尔费米子的准粒子成为当今凝聚态物理最前沿的研究对象之一,也是世界各国物理学家竞相追逐的目标。为了能够找到它,全世界的科学家争相创造可能存在外尔费米子的人工环境。
  中科院物理所自然也没有放松对于“幽灵粒子”的搜寻力度。早在两年前,物理所的理论研究团队就意识到TaAs家族材料体系可打破中心对称的保护,实现两种“手性”电子的分离。这一系列材料能自然合成,无需进行掺杂等细致繁复的调控,更利于实验发现。去年底,他们将此理论预言在arXiv网站率先向全世界公开。该成果立即受到同行的注目,国际上众多实验小组都投入到了竞赛般的实验验证工作中。
  就在2015年的1月5日,中科院物理所的电子邮箱里收到了一封“战书”,这封来自美国普林斯顿大学Hasan小组的信,明确告知他们也在进行类似的研究,同时也将自己的科研论文张贴到了arXiv网站上。这让丁洪敏锐地嗅到了一股硝烟的味道,他意识到:捕捉“幽灵粒子”的国际竞赛已经进入到白热化阶段了。
  物理所团队成员们都感觉到了这种竞争激烈的气氛,每个人都开始夜以继日的加快速度,与同行竞赛,与时间竞赛。物理所强大的团队力量在此时发挥了作用,三个研究小组分别从理论、材料、实验三个环节入手,团结协作,环环相扣。捕捉“幽灵粒子”就好像在进行一场战役,有情报侦察、有后勤补给,也有前方冲锋,“哪个环节出了问题,外尔费米子都不可能这么快地被成功发现。这是我们团队精诚合作的结果,彰显了中科院物理所的整体实力!”丁洪谈到当时的经过,依然热血沸腾。
  丁洪的团队负责的是实验环节。这个小组的工作实际上是最辛苦的,因为要做同步辐射,一天24个小时都要工作,经常是通宵达旦。丁洪小组利用他们刚在上海光源建成的“梦之线”同步辐射X射线对TaAs晶体进行了精确地测量,从材料中激发出来的电子的能量和动量,就能反推出晶体材料的电子结构。他们在2014年10月取得了初步数据,并在2015年初取得了高质量的数据,第一次观测到TaAs表面态存在费米弧。而只要观测到费米弧,就能断定外尔费米子的存在,即从实验上“发现”了这种奇特的粒子!
  2月16日,丁洪的实验小组在物理学界知名的学术交流网站arXiv上,公开了费米弧的发现,宣布外尔费米子被发现,中国科学家领衔的团队终于率先揭开了80多年来的世界之谜!而几乎与此同时,美国普林斯顿大学教授哈桑的实验小组也在arXiv网站上公开了类似的研究成果。
  围绕在外尔费米子身上长达86年的神秘面纱终于被揭下,虽然后来的“发现归属之争”问题在外界引起了一场沸沸扬扬的风波,但是丁洪对此表现得非常超脱,在他看来,外尔费米子从突破性发现到实用性材料投入应用,仍有漫长的路程要走。尚待解答的许多问题,需要科学家们继续投入相关领域的研究,这才是当下最应该关心的。
  
  一声召唤 打起背包就回国
  
  当初,丁洪是怀揣着梦想从美国回国的。他曾经不止一次的预言“未来的中国是一片能够成就事业的热土,也将是我的梦想开花结果的圣地。”事实证明,他的判断是正确的。
  1990年从上海交大毕业之后,丁洪就飞到大洋彼岸开始追逐自己的物理梦想。读博士,做博士后,当助教、副教授,并且成为美国波士顿学院大学物理系的终身教授。18年的时间,一步一个脚印。无论是从语言表达,还是生活方式以及思维观念上,丁洪都已经完全步入了美国节奏,除了胸腔里那一颗跳跃的中国心。
  2007年11月,一个来自国内的越洋电话更加触动了这颗思乡之心。电话是中科院物理所打来的,明确邀请丁洪回国加盟。在这之前,丁洪也收到了香港大学的邀约,同时美国方面也开出了高薪条件来挽留他。他正处在一种抉择之中。但是这响起的最后一个电话却一下子敲碎了丁洪缠绕已久的纠结。当即和妻子商议:回国去!
  丁洪是个行动派,从接受中科院物理所的聘书到辞去在美国的一切职务到举家迁回国内,仅仅用了三个月的时间。由于丁洪在国际物理界的名气,他的归国也在中美物理学界一石激起千层浪,引起了不小的反响。
  有朋友对他的未来感到担忧,认为他起码应该为自己留条后路。但是丁洪对此不以为然,他觉得君子坦荡荡,既然决定要去做的事情,必然要全力以赴。他对国内科研事业的长期关注让他做出的大胆预言:随着经济实力的提升,国家对于科技事业的重视,未来10到20年将会是中国科技发展的“黄金时期”。而他对于物理学所怀揣的梦想最大可能的圆梦地,那便是中国。丁洪对于自己的选择充满了信心!
  
  马不停蹄的铁基高温超导实验
  
  “我想做些更大的事情,为国家发挥更大的作用”,这是丁洪回国之际发出的心声。话音未落,刚刚回到国内的他,马不停蹄地就参与到了中科院物理所正如火如荼进行的铁基高温超导研究中。
  超导指的是某些材料温度降到临界温度以下,电阻突然消失为零的现象。作为20世纪最伟大的科学发现之一,超导体具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性,在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通运输、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景,受到人们的广泛关注,因此也成为21世纪的科研新宠。
  丁洪之前也在美国研究了十几年的高温超导体——铜氧化合物。在2008年之前,超导体研究一直停留在铜氧化合物领域。这种材料易脆,作为输电缆应用时延展性与柔韧性不够好,在大范围的普及应用上仍有一定困难。与铜氧化合物高温超导体不同,一些铁基超导体近似于合金,从制造工艺的角度更加容易,同时还能够承受很大的电流,这就为广泛的应用奠定了基础。但同时不得不面对的是,铁基超导体性质极为复杂,对科研人员的理论功底和实验技能都提出了更高要求。
  丁洪的强势加盟,让本已在铁基超导材料研究领域处于国际领先水平的中科院物理所更加如虎添翼。丁洪的研究方向是超导的机理研究,他一回国就决定集中精力做好铁基超导这种新型高温超导体的实验工作。就在他刚刚回到国内的第二天,实验室的椅子还没坐热,在当天的会议上听说有一个刚出炉的试验样品非常好,但当时的实验设备还不齐全,他就马上动用自己国际上的人脉,联系到一家日本合作者的实验室,几天之内买了机票带上样品直飞日本。
  此后在日本的8天时间里,丁洪只在旅馆里住了两个晚上,其他时间都泡在实验室里,顺利完成了实验,首次发现了铁基超导体中依赖费米面的无节点的超导能隙,并且还在一周内完成了一篇质量非常高并具有深远影响力的论文,被国际同行认为是对铁基超导体的s-波对称性的建立具有奠基性意义的工作,算是打响了回国之后的第一炮。
  超导机理以及全新超导体的探索是物理学界最重要的前沿问题之一,铁基高温超导体的发现是凝聚态物理的一个重大突破。对于中国科学家的这一工作,国际物理学界也予以了高度评价。那一年的岁末,荣誉接踵而来,中国的铁基高温超导研究被评为《科学》杂志“2008年度十大科学突破”、美国物理学会“2008年度物理学重大事件”以及欧洲物理学会的“2008年度最佳”。
  在此后几年内,丁洪小组又对铁基超导体进行了更深入的研究,发表了50多篇文章,取得了一系列重要的研究成果,其中最突出的是用多个有说服力的实验结果揭示了短程反铁磁交换作用和相匹配的费米面是导致铁基超导的根本原因。这已成为被越来越多人的共识。
  
  三个梦想照亮未来
  
  当下在年轻人中流行一句话:每天早起唤醒我的,不是闹钟,是梦想。丁洪的状态也是如此。丁洪坦承:“我是一个特别爱造梦的人,爱追逐有挑战性的事情做。”他为自己设定了三个梦想。
  由于多年的研究工作,丁洪接触最多的是同步辐射光源,早在2005年的时候,他就在美国的一个研讨会上提出建设一条分辨能力达到10万的软X射线光束线,但当时的参会人员纷纷表示这个想法不现实。苦于得不到支持,丁洪的第一个梦想只得暂时搁置。而在回国后不久,在中科院的支持下,丁洪申请到了财政部重大科研装备研制项目,着手在上海同步辐射光源上建一条分辨能力近10万的光束线站,已经在去年的秋天完成了工艺验收,这条线站能量分辨率的设计指标是目前国际最高水平的5倍,它在随后进行的外尔费米子的发现中起了关键的作用。这便是丁洪的第一个梦想——Dream Line(梦之线)。
  丁洪的第二个梦想是建设一个北京先进光源,也就是他所讲的Dream Ring(梦之环),这将是世界上亮度最高的高能同步辐射光源。他在2009年初首次提出建设5-GeV高能储存环的北京新光源,并大力推进立项工作。目前预研项目已获得国家发改委的批准,预计将在“十三五”期间正式建设。这个世界上最先进的光源将为新材料、新能源、生态环保等国家重大战略问题提供一个强有力的支撑平台。
  而丁洪的第三个梦想是Dream Center(梦中心),建设一个综合性的国家科学中心。这将是一个以大科学装置群为依托的多学科交叉的综合研究平台。目前,中科院和北京市已准备在北京怀柔区建设北京综合研究中心。为了打造这一“科技航母”,丁洪一回国就积极参与了北京综合研究中心的整体规划。用他的话说:除了忙一些科研的本职工作之外,还“跨界”做了很多工作,这也是其中之一。为了期待提高中国整体的科研水准和科研氛围,他亲自参加了近百次相关研讨会,为该中心的筹建起了至关重要的作用。
  这三个梦想,有的已经播种,有的已经发芽,有的已经开花结果。丁洪表示:“在物理学方面,虽然我国的一些研究小组已经做到了世界顶尖水平,但在规模科技、大装置建设、大的科学项目上与欧美相比还有很大的差距。我很想在这方面出一把力。”而他的这三个梦想如果能够一一实现,必将有助于中国科学界整体水平和地位的提升。
  丁洪不止一次地告诫自己的学生:做科学,特别是基础科学,从投入到产出,是需要一段比较长的时间的,需要你坐得了冷板凳,守得住清贫。做基础科学有一点像搞艺术,追求的是一种梦想,而不仅仅是一份养家糊口的工作,所以需要有大胸襟,大气度。
  丁洪如是说,也是如此做的。身为北京凝聚态物理国家实验室首席科学家的他,每天忙碌着自己的试验、科研、培养学生,规划团队的未来、与国内外的朋友交流,还在不停地跨界合作??每天的日程排得满满当当,却不知疲惫地乐在其中,在他的三个梦想照耀下,丁洪正充满了豪情壮志,在未来的科技之路上铿锵前行!
  
  专家简介:
  
  丁洪,现为中国科学院物理研究所研究员,北京凝聚态物理国家实验室首席科学家。1990年毕业于上海交通大学,1995年获美国University of Illinois at Chicago的物理博士学位。1995年至1998年在美国Argonne国家实验室作博士后。1998年至2008年在美国Boston College大学物理系历任助理教授、副教授、正教授。主要研究方向为用角分辨光电子能谱研究高温超导体和新奇量子材料的电子结构和电子激发性质。在铜基超导体中赝能隙的发现、铁基超导体s-波序参量的确定和外尔费米子的发现等重大物理问题有开创性的贡献。
  
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