小房間里孕育的“大”成果

80多年前，意大利物理學(xué)家馬約拉納曾預(yù)測(cè)宇宙中存在一種神奇的粒子——馬約拉納費(fèi)米子。然而，不知為何馬約拉納卻神秘失蹤，這種神秘粒子是否真的存在也就成了一樁“懸案”。后來(lái)，凝聚態(tài)物理學(xué)家將馬約拉納費(fèi)米子的概念引入到固體材料中，即馬約拉納束縛態(tài)。由于它具有非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的性質(zhì)，可運(yùn)用于拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，因此，尋找馬約拉納費(fèi)米子成為物理學(xué)界最前沿的研究熱點(diǎn)。

近日，馬約拉納費(fèi)米子“現(xiàn)身”了，主要發(fā)現(xiàn)者是中國(guó)科學(xué)院院士、中科院物理研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)高鴻鈞及其團(tuán)隊(duì)和中科院物理研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授丁洪及其團(tuán)隊(duì)。

2018年8月17日，農(nóng)歷七月初七，七夕情人節(jié)。女生化好精致的妝容等候著下班與伴侶浪漫約會(huì)，每家餐館門前都排起了“長(zhǎng)龍”般的隊(duì)伍，既有燕侶鶯儔也有銀發(fā)伉儷，大街小巷隨處是玫瑰花的影子和香味……這一天，似乎空氣中也布滿了粉紅色的泡泡。

天色漸晚，華燈初上。與外面熱鬧的世界不同，中科院物理所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室N04組的房間里雖亦是燈火通明，但略顯安靜和“冷清”，只有范朋和一臺(tái)龐大實(shí)驗(yàn)儀器還在工作著，他們“背靠背”通過(guò)4塊電腦屏幕進(jìn)行著無(wú)言的交流。

范朋是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2014級(jí)博士研究生（培養(yǎng)單位是中科院物理研究所），師從高鴻鈞院士。他可能還未意識(shí)到，他們團(tuán)隊(duì)和中科院物理所研究員丁洪團(tuán)隊(duì)共同研究的一項(xiàng)重大成果正在引起一場(chǎng)爆炸式“轟動(dòng)”，這可能是2018年中國(guó)物理學(xué)界送給國(guó)際物理學(xué)界最浪漫的“七夕禮物”。

小房間里孕育的“大”成果

這個(gè)禮物——首次在鐵基超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)的馬約拉納束縛態(tài)（或稱“零能?！薄ⅠR約拉納費(fèi)米子），8月17日凌晨在線發(fā)表在science《科學(xué)》雜志上，范朋是第一作者之一。

位于中科院物理所A樓一樓的納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室，大約30平方米，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、集成研制的極低溫-強(qiáng)磁場(chǎng)-掃描探針顯微系統(tǒng)占據(jù)著房間三分之二的空間，馬約拉納費(fèi)米子就是在這個(gè)設(shè)備上觀測(cè)到的。

1937年，意大利物理學(xué)家馬約拉納曾預(yù)測(cè)一種神奇的粒子：其反粒子就是它本身，人們便把這種神奇粒子稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。然而，不久后，他便離奇失蹤，再無(wú)蹤跡，但他的預(yù)測(cè)真假與否卻成了一樁“懸案”。

由于馬約拉納費(fèi)米子具有一種極優(yōu)的特性——當(dāng)它以準(zhǔn)粒子的形式出現(xiàn)在固體材料表面時(shí)，就會(huì)變成馬約拉納任意子（一種量子狀態(tài)），這可以用來(lái)構(gòu)造拓?fù)淞孔颖忍?，?yīng)用于自容錯(cuò)、高穩(wěn)定性的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。也就是說(shuō)，如果成功，這將改寫人類的歷史。

不過(guò)，馬約拉納費(fèi)米子是否真的存在，不同物理學(xué)家各持己見(jiàn)。直到2014年，丁洪團(tuán)隊(duì)與國(guó)外科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)了某些“蛛絲馬跡”。2017年，將馬約拉納費(fèi)米子命名為“天使粒子”的斯坦福大學(xué)講習(xí)教授、美國(guó)科學(xué)院院士張首晟及其團(tuán)隊(duì)也進(jìn)一步預(yù)測(cè)了出現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)可能合適的條件。

尋找馬約拉納費(fèi)米子是物理學(xué)界最前沿的熱點(diǎn)之一，許多物理學(xué)家都投入到相關(guān)研究中，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。近年來(lái)，美國(guó)、荷蘭、中國(guó)、丹麥等多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都曾宣稱找到了馬約拉納任意子或者費(fèi)米子的證據(jù)，但他們的實(shí)驗(yàn)，都需要構(gòu)造工藝復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，并且需要極低溫的條件。

高鴻鈞和丁洪聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的觀測(cè)結(jié)果被稱為是一項(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，也成為人類攻克拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)難題中的重要一步。

它的價(jià)值很大。

這是第一次在單一塊體超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)高純度的馬約拉納費(fèi)米子，相比其他體系，該體系擁有更高溫、更純凈、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，為馬約拉納費(fèi)米子的研究開(kāi)辟了新方向。

它的意義十分重要。

張首晟說(shuō)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)科學(xué)意義十分重大，大大推動(dòng)了鐵基超導(dǎo)的研究與馬約拉納費(fèi)米子的研究。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)科學(xué)院院士安東尼·萊格特認(rèn)為，這次的實(shí)驗(yàn)比許多以前的實(shí)驗(yàn)更清晰，相信它是第一個(gè)可信的證明超導(dǎo)體中擁有馬約拉納準(zhǔn)粒子的證據(jù)。

麻省理工學(xué)院講習(xí)教授、美國(guó)科學(xué)院院士文小剛表示，它有很高的穩(wěn)定度，這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，使鐵基超導(dǎo)材料有可能應(yīng)用于構(gòu)建對(duì)環(huán)境干擾免疫的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。

2019年年初，這項(xiàng)成果被中國(guó)科學(xué)院院士和中國(guó)工程院院士們列為“2018年中國(guó)十大科技進(jìn)展”之一。

熱愛(ài)+努力

成功的故事總是相似的。一項(xiàng)重大成果的取得，背后一定由無(wú)數(shù)個(gè)默默奮斗的深夜累積而成。

范朋和王東飛對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷記憶深刻。該研究始于2017年4月，從那時(shí)起，每天實(shí)驗(yàn)室-食堂-宿舍“三點(diǎn)一線”就成了他們的“日?！?，時(shí)不時(shí)地通宵作為“加菜”。王東飛是范朋的師兄、2013級(jí)博士研究生，也是論文的第一共同作者。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要利用He-3極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡對(duì)FeTe0.55Se0.45單晶樣品進(jìn)行觀察。

一開(kāi)始，他們并不知道哪些單晶樣品能出“好的結(jié)果”，只能不斷地嘗試，一共測(cè)試了47塊樣品。5月，王東飛和范朋在嘗試測(cè)試第二批樣品時(shí)，電腦屏幕上突然顯示出了一絲絲“小火苗”般馬約拉納費(fèi)米子的跡象，他們很是驚喜，但同時(shí)也深知，這只是跡象，數(shù)據(jù)質(zhì)量并不夠好。

一個(gè)月后的6月5日，他們終于獲得了第一套比較“漂亮”的數(shù)據(jù)——純粹且不受干擾。他們立刻向高鴻鈞和丁洪兩位老師匯報(bào)了結(jié)果，老師們當(dāng)即表示，這就是馬約拉納束縛態(tài)。

然而，他們并沒(méi)有止步于此，科學(xué)家對(duì)于“純”的追求永無(wú)止境。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，他們利用更高分辨率的He-3極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡完善數(shù)據(jù)。

“我們必須要快?！狈杜笳f(shuō)。因?yàn)?，?guó)內(nèi)外還有很多個(gè)團(tuán)隊(duì)也在同時(shí)開(kāi)展相關(guān)研究。

那是一段艱辛?xí)r光。王東飛、范朋、孔令元早上9點(diǎn)開(kāi)始工作，時(shí)常在深夜12點(diǎn)甚至更晚才回宿舍或回家。而遇到關(guān)鍵時(shí)期——數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要操作人員不間斷地觀察，每隔幾分鐘就需要分析一次數(shù)據(jù)，并及時(shí)調(diào)整測(cè)量參數(shù)，為了盡快拿到高質(zhì)量結(jié)果，范朋與王東飛，以及孔令元3人輪班通宵，每個(gè)晚上2人一起結(jié)伴操作。而每找到一個(gè)好樣品就要排一次班，每次持續(xù)2~3周的時(shí)間。

那也是一段充滿成就感的時(shí)光，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，當(dāng)看到數(shù)據(jù)一點(diǎn)點(diǎn)逼近理想值，所有辛苦早已煙消云散。

“傳幫帶”打造最強(qiáng)團(tuán)隊(duì)

包括這次首次在超導(dǎo)塊體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納任意子，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在凝聚態(tài)物理及其應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了許多個(gè)“首次”和“第一”。

他們提出了基于單晶表面外延的高質(zhì)量、大面積的石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了在Ru(0001)表面獲得缺陷可控、1個(gè)厘米大小的、連續(xù)的單晶石墨烯；首次成功構(gòu)筑了新型二維過(guò)渡金屬單硫化物——單層硒化銅；在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單個(gè)自旋量子態(tài)的可逆操控及其在超高密度量子信息存儲(chǔ)中的原理性應(yīng)用；在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了朗德g因子原子尺度的空間分辨……

優(yōu)秀成績(jī)的取得，離不開(kāi)一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)成長(zhǎng)機(jī)制，高鴻鈞有自己的“帶團(tuán)”秘訣，而這個(gè)方法，能讓每一位科研“新手”迅速成長(zhǎng)。

2015年夏天，結(jié)束了研究生一年級(jí)的課程學(xué)習(xí)，范朋回到課題組后，導(dǎo)師并沒(méi)有給他安排一個(gè)固定的研究方向，而是先跟著王東飛學(xué)做科研的“手藝”。剛開(kāi)始的那兩年，范朋參與了課題組里許多方向的研究，包括硫化鉬、石墨烯納米帶、鐵碲硒單晶……這些雖然都是納米尺度的表征研究，但不同方向卻有“很大差別”。

不聚焦在一個(gè)方向如何做深呢？有利于個(gè)人成長(zhǎng)嗎？

“凝聚態(tài)物理是與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系較為緊密的物理科學(xué)，研究熱點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間而變化，個(gè)人具體研究的內(nèi)容也會(huì)隨著熱點(diǎn)而變?！狈杜笾v述著他的感悟。在找到自己感興趣的研究方向之前，更多需要學(xué)習(xí)的是做科研的技能，從實(shí)驗(yàn)儀器怎么組裝、實(shí)驗(yàn)器材如何買，到不同研究?jī)?nèi)容的文獻(xiàn)調(diào)研、相關(guān)軟件等“全套的”科研流程都需要了解一番，“只要跟科研工作有關(guān)的，都需要跟著老師和師兄們學(xué)一學(xué)，老師、師兄的師兄也會(huì)幫忙‘帶’?！?/p>

在王東飛看來(lái)，“傳幫帶”是一個(gè)很好的模式，而在他們團(tuán)隊(duì)也早已成為一個(gè)傳統(tǒng)。

“導(dǎo)師密切關(guān)注本領(lǐng)域最重要的發(fā)展前沿。導(dǎo)師設(shè)計(jì)和研制國(guó)際頂尖的儀器裝備，然后帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展強(qiáng)力攻關(guān)?！薄皠傔M(jìn)入科研領(lǐng)域，我們可能并不知道對(duì)哪個(gè)方向感興趣，只有多學(xué)多看才知道自己想要什么，接觸不同研究的過(guò)程也是尋找自己興趣點(diǎn)的過(guò)程?！?/p>

王東飛說(shuō)，通過(guò)初期的科研訓(xùn)練和對(duì)相關(guān)課題及研究方向的大致了解，學(xué)生會(huì)大致了解自己感興趣的方向及自身的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。有時(shí)導(dǎo)師還會(huì)幫助學(xué)生作分析，為學(xué)生作選擇提供建議?！皩?dǎo)師的學(xué)術(shù)視野非常廣?！?/p>

“每周，同一個(gè)研究方向的成員都會(huì)開(kāi)小組會(huì)，導(dǎo)師們聽(tīng)我們匯報(bào)最新進(jìn)展，幫助我們解決遇到的問(wèn)題?！狈杜笳f(shuō)。

此外，每周六上午，課題組都會(huì)召開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)告，每位成員都需要用英語(yǔ)講演某個(gè)方向的綜述，或者是一項(xiàng)最前沿的科研進(jìn)展。

除了“傳幫帶”和組內(nèi)的交流討論，廣泛而密切的國(guó)際合作、鼓勵(lì)學(xué)生與國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)大咖對(duì)話，也是團(tuán)隊(duì)得以快速成長(zhǎng)的又一秘訣。

來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等該領(lǐng)域國(guó)際頂尖科學(xué)家與課題組建立了或長(zhǎng)期或短期的合作關(guān)系，每個(gè)季度，他們會(huì)來(lái)到物理所作報(bào)告，與學(xué)生就實(shí)驗(yàn)問(wèn)題和成果進(jìn)行交流討論。

目前，范朋正在寫作一篇關(guān)于TMD二維材料研究的研究論文，初稿已經(jīng)完成，但他在與一位外籍科學(xué)家交流時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的論文有點(diǎn)“平鋪直敘”，并沒(méi)有突出工作亮點(diǎn)，在外籍科學(xué)家的指導(dǎo)下，他學(xué)到了如何在論文寫作中突出研究亮點(diǎn)、理清邏輯思維，以及表達(dá)得簡(jiǎn)潔明了?！翱蒲凶罱K是要在國(guó)際舞臺(tái)上展示的。實(shí)驗(yàn)做出來(lái)后，如何用英文匯報(bào)自己的學(xué)術(shù)成果，讓別人聽(tīng)得懂、理解到研究亮點(diǎn)并接受，這很重要，也非常具有挑戰(zhàn)性?！狈杜笳f(shuō)，

有時(shí)候，成長(zhǎng)或許只在高手的一兩句點(diǎn)睛言語(yǔ)之間。

從高鴻鈞團(tuán)隊(duì)走出來(lái)的博士畢業(yè)生中，目前有3位在美國(guó)的著名大學(xué)做教授、一位在新加坡的著名大學(xué)做教授，有10多位在國(guó)內(nèi)的著名大學(xué)和研究所做教授和研究員，如：中國(guó)人民大學(xué)、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)和中國(guó)科技大學(xué)等，還有幾位留在物理所工作。

“馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)只是萬(wàn)里長(zhǎng)征邁出的第一步，它的特性還需要探索研究?！苯衲?月，王東飛到德國(guó)漢堡大學(xué)應(yīng)用物理與跨學(xué)科納米科學(xué)中心研究所做博士后，繼續(xù)著馬約拉納費(fèi)米子的研究。

而對(duì)于即將結(jié)束博士生涯的范朋來(lái)說(shuō)，也早已找到了自己的研究興趣。未來(lái)，他希望走向更高的國(guó)際舞臺(tái)，繼續(xù)從事他所熱愛(ài)的科研事業(yè)。