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低溫物理世界的“追夢者”——訪復旦大學李世燕研究員、

文章來源:發布時間:2015-04-22 18:05:15瀏覽數量:

日前,在第十四屆全國低溫物理學術研討會的開幕式上,復旦大學李世燕研究員和北京大學王健研究員因在低溫物理學研究領域取得的突破性研究成果,獲得了2015馬丁•伍德爵士中國物理科學獎。

  對于此次獲獎,李世燕和王健均表示很榮幸能夠獲得這個獎項,目前國內低溫物理研究領域優秀的年輕學者非常多,能夠獲得這個獎項并不代表自己是最優秀的。同時,他們也為我國低溫物理學研究水平與歐美國家的差距越來越小,并逐步走到世界前列感到驕傲和高興。

  他們對于我國低溫物理學的發展、低溫設備的技術發展、科學家與儀器廠商之間的合作,以及低溫物理學研究的熱點和實際應用都有怎樣的見解和看法呢?會議期間,儀器信息網編輯特別采訪了兩位老師,并將他們的精彩觀點整理成章,以饗讀者。

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北京大學王健研究員(左)、復旦大學李世燕研究員(右)

  低溫設備技術發展助力低溫物理學研究

  Instrument:首先,請您們結合自身的經歷談談近年來我國低溫物理學的發展情況?

  李世燕:2002年我在中國科學技術大學陳仙輝教授的指導下完成了博士階段的學習,當時在國內我們基本沒有見過極低溫設備,只有中科大和物理所有兩臺非常龐大的稀釋制冷機。后來我到加拿大多倫多大學Louis Taillefer教授的實驗室做博士后,接觸到兩臺新型稀釋制冷機,研究的低溫環境一下子從2K直接降到了mK級別,看到了許多以前從未看到過的本征物理現象,立刻覺得整個物理世界都不一樣了。

  2007年我回國加入復旦大學,當時獲得了400萬元的啟動經費,我就采購了一臺新型稀釋制冷機。這個時候國內小型易用的新型稀釋制冷機仍然比較少,全國也就兩三臺。之后隨著國家對基礎科學研究投入的加大,而且低溫物理研究的內容也很豐富,逐漸有越來越多的研究組開始采購極低溫設備,并做出了優秀的成果。

  王健:2001年到2006年我在中科院物理所師從薛其坤院士完成碩士、博士階段的學習,當時主要做超高真空系統,也涉及一些低溫研究。但當時稀釋制冷機的確非常少,我們接觸的低溫也就是液氦溫度或是再稍微低一點的溫度。2006年到2010年,我在美國賓夕法尼亞州立大學納米科學中心和物理系做博士后,師從國際低溫物理專家Moses Chan院士,開始接觸稀釋制冷機,做納米超導方面的研究。

  2011年我回到北大,以前國內做極低溫物理研究的人特別少,但在我回來的這幾年里,僅北大就有好幾個研究組采購了極低溫設備做這方面的研究,而且國內涌現出了許多國際一流的研究成果。

  Instrument:請問近年來,低溫設備的技術發展有哪些趨勢?技術的發展對于科學研究有著怎樣的影響和幫助?

  李世燕:如今一些大的低溫設備公司,如牛津儀器、Quantum Design,都能夠提供非常好的低溫磁場環境,稀釋制冷機達到mK級的低溫已經比較成熟。技術的主要發展方向是無液氦化和簡單易用。

  以前的稀釋制冷機外圍設備包括管道、泵等等,操作特別復雜,我當年做博士后的時候,花了整整一年時間才完全掌握如何使用。而現在的新型稀釋制冷機,一個學生基本花半年時間就能很好地掌握。

  還有過去測比熱,大家覺得這是一個非常專門的測量手段,尤其是極低溫下的比熱,往往需要一個擁有10年到20年比熱測量經驗的人,才能獲取準確的測量結果。但現在就拿Quantum Design PPMS系統的比熱測量選件來說,它的最低測量溫度可以達到50mK,而且非常好用,學生只要簡單學習就能將極低溫下的比熱測好,這非常不容易。

  王健:無液氦化是一個發展方向,以前大家覺得無液氦化很難達到,但現在已經成為了一種通用技術,而且儀器價格較之前有了大幅的下降,我相信以后低溫設備的價格會更低,因此低溫物理的研究隊伍也會更加壯大。

  商品化科學儀器的簡單易用對于我們的科研起到了極大的促進作用。讓一個新手能夠很快的掌握測量技術,使大家有更多的精力和注意力集中在科學問題上,而不是技術手段上,這是對科學方面生產力的釋放。

  Instrument:對于和儀器公司合作開發低溫設備的新功能,您們有什么看法?

  王健:其實科學家和儀器公司的交流是非常密切的,如果我們在具體的實驗上遇到需要改進儀器來實現一定功能,此時和一些有能力的儀器公司建立良好的合作非常重要。科學家根據實際研究需要提出設想,然后與儀器公司一起開發新功能,我覺得這會是今后的一個趨勢。

  實際上日本在這方面的合作就已經做的很好,Quantum Design的PPMS系統中采用的高壓腔選件就是日本科學家與他們合作開發的。我覺得這是推動技術發展的一個很好的模式,如果有機會,我們希望能夠和儀器公司合作拓展儀器的功能,讓自己的實驗手段更強大。

  低溫物理學研究改變百姓生活

  Instrument:低溫物理學研究目前有哪些熱點研究方向?我國在該研究領域都有哪些創新性成果?

  王健:在低溫條件下,由于減少了熱等因素的干擾,更多本征的物理現象能夠被觀測到,這對于基礎研究以及新材料的本征特性研究十分重要。低溫物理涉及的領域特別廣,實際上很多研究方向都需要用到低溫物理。

  超導方面的探索就離不開低溫,雖然我們希望能夠實現室溫超導,但首先得從低溫超導開始,這也是全世界凝聚態物理研究人員最關注的一個方向。我們和薛其坤院士合作研究的二維極限下的界面增強超導,尤其是高溫界面超導研究,就是當前極少數由中國人先做出來,外國人去跟進的研究方向。

  李世燕:另外,拓撲材料的物性研究也是低溫物理最近比較熱的一個研究方向,薛其坤院士發現的量子反常霍爾效應大概是最近幾年拓撲新材料研究最重大的突破,要在30mK的溫度下才能看到量子現象。

  我國在低溫物理研究領域取得的創新性成果還有中科大的陳仙輝教授課題組與復旦大學張遠波教授課題組合作,成功制備出了基于具有能隙的二維黑磷單晶場效應晶體管。可以看出我國現在已經逐漸在一兩個點上引領低溫物理的研究趨勢,如果有越來越多這樣的點,我們的研究水平就會有很大的提升。

  王健:對于我國低溫物理研究的發展,我還是比較樂觀的,目前像北大、復旦、清華還有南京大學、中科大,上海交大、浙江大學等許多學校在低溫物理研究領域做得是越來越好,如果我國的科研政策持續不變,大家一起努力,我想十年以后,在低溫物理這個研究方向我們趕超發達國家是沒有問題的。

  Instrument:低溫物理的研究成果在生活中會有哪些實際應用?

  李世燕:低溫下的物理現象更明顯,更容易表現出來,我們在低溫下發現新的物性,一些在實際應用中只要能提供低溫環境,就能夠實現很好的應用,其中最典型的應用就是醫院里核磁共振超導磁體。

  另外我們可以在低溫下發現物性,然后再通過研究使得它能夠在室溫或者高溫下表現出同樣的性能。比如巨磁阻效應,最初是在低溫下發現的,后來發現改進材料后,在室溫下也有明顯的效應,人們因此研究出了基于巨磁阻效應的讀出磁頭,引發了硬盤的“大容量、小型化”革命,到目前為止,巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數碼相機、MP3播放器的標準技術。這是一個很典型的低溫物理研究成果最終應用到大家生活中的例子。巨磁阻效應的發現者也因此獲得了2007年的諾貝爾物理學獎。

  王健:其實目前高溫超導也得到了一定的實際應用,比如甘肅白銀的超導變電站,采用了高溫超導限流器、高溫超導儲能系統、高溫超導變壓器和高溫超導電纜等多種超導電力裝置,能有效降低系統損耗。高溫超導技術也被日本和美國等國家考慮作為城市儲能系統的一種方案。

  還有現在大家研究的拓撲材料,由于它的低耗散性,還有它的一些自旋特性和磁性相關聯,因而可以實現一些特殊性能。如我們現在做的拓撲半金屬Cd3As2體系載流子遷移率非常高,也許有一天這個體系可以用到高速器件上。另外,如果能實現拓撲超導,就可以用于量子計算,它要比現在所說的量子計算機更進一步,叫做拓撲量子計算機。

  實際上低溫物理的研究應用已經走入了老百姓的日常生活當中,只是還沒有像半導體一樣讓整個社會都發生變化。如果有一天我們能夠實現室溫超導,那樣整個人類社會將會從信息時代進入超導時代,因為它無能耗,而且能實現許多量子態,將會是非常好的工具,比如現在最可行的一種量子計算就是用超導的約瑟夫森結實現的。所以一旦實現室溫超導,帶來的變化將不可估量。

  后記

  近年來,我國低溫物理學研究取得了快速的發展,這不僅僅是由于國家對于基礎科研投入的持續加大,更重要的是老一輩科研人員不懈的努力,以及許多像李世燕、王健這樣優秀的年輕學者,他們對于低溫物理的研究充滿熱情,對于我國低溫物理研究的未來滿懷希望,努力在自己的研究領域做出了國際一流的研究成果,腳踏實地的踐行著科技強國的夢想。

  但有一件事情讓他們感到遺憾。李世燕說:“我們現在所用的設備絕大部分都是從國外進口的,這是我一直覺得比較遺憾的地方。”王健說:“其實低溫設備的技術含量也沒有那么高,希望今后有國產儀器廠商能夠提供相應的設備,只要國產設備測量結果可靠,能夠獲得國際認可,我們會非常樂意選擇使用國產儀器的。”

  讓我們期待,在不久的將來,我們能夠在低溫物理研究領域趕超發達國家,同時我們也能擁有性能優異的國產低溫設備,助力科學家們做出更多國際一流的研究成果。

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