揭秘量子反常霍爾效應實驗團隊的85後

2020-12-18 快科技

至今,凝聚態物理學界還處在「興奮」之中。從那篇載著中國科研團隊首次實現「量子反常霍爾效應」成果的論文3月14日在線發表於美國《科學》雜誌後,消息便從不同渠道被報導出來,其中最為吸引外界眼光的是有關「諾貝爾獎」的字眼,與其相關的兩項研究——整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應的發現者分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

前不久,由清華大學薛其坤院士領銜的清華大學和中國科學院物理所的聯合研究團隊在京宣布這一成果時,物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧更是直言不諱地將這一成果稱為「這是第一次從中國實驗室裡發表的諾貝爾獎級的物理學論文」。

鮮為人知的是,這篇文章的第一作者分別是清華大學物理系博士生常翠祖、張金松、馮硝和中科院物理所博士生沈潔。這個團隊裡有13名學生,都是名副其實的85後,年齡在24歲到28歲之間

作為文章的第一作者和實驗的主力軍,他們是如何接觸到這一項目,又是怎麼克服浮躁一步步把成果做出來的,《中國青年報》記者近日對他們進行了採訪。


上排自左至右依次是龐遠、常翠祖、張金松,下排自左至右依次是沈潔、郭明華、馮硝

「在你的實驗期間有可能是做不出成果的,這個我一開始就做好了這個打算」

實驗文章的通訊作者之一、中國科學院物理所副研究員何珂在接受媒體採訪時經常提到這樣一個細節:「就在實驗半年沒出現大的進展,甚至開始考慮做別的項目」時,一個學生的「意外之舉」讓整個實驗出現轉機:為了避免薄膜受到外界幹擾,實驗團隊會在薄膜上面加一個覆蓋層,而一位學生將保護薄膜的覆蓋層去掉後,竟發現霍爾電阻的信號大大增強了,「有了反常霍爾效應的跡象,之前一直都沒有看到這種跡象。」

這名學生就是馮硝,清華大學2008級直博生,現在五年級,生於1985年。她的導師就是此次實驗工作的團隊帶頭人、論文的第一通訊作者、清華大學教授、中國科學院院士薛其坤,在這次實驗工作中,馮硝被分到馬旭村和何珂的實驗小組,在物理所的儀器上做實驗。

事實上,在整個實驗完成之前,馮硝並未想過一定要有個什麼樣的結果,她告訴記者,「在你的實驗期間有可能是做不出成果的,我一開始就做好了這個打算。」

對基礎研究工作來說,沒進展是常態,進展和飛躍只是很小的一部分,大部分時間都是平臺期,常常要連續幾個月甚至近一年的時間沒有成果。馮硝說,「沒進展遇到瓶頸時也會很著急,想弄清楚究竟是什麼東西阻擋了我們進一步往前走。」

有時候,他們也會感到「狀態不太對」。學生們定期要向指導老師做進展報告,而他們的團隊出成果總要慢一些。當看到同一個大實驗室裡,周邊其他實驗組同學的數據總是有進展,而他們這邊卻「停滯不前,就會很擔心,老師可能會覺得我們不夠努力,或者對我們比較失望」。

幸運的是,實驗項目的指導老師似乎看透了「自己的心思」,大多時候都在肯定他們的工作,說「你做的這些嘗試都是值得的,起碼我們知道哪些路是走不下去的」。還有些時候,導師們會給些更具體的建議,「我們覺得沒有進展,但在導師看來,還是有結果的。」馮硝說。

在基礎研究領域,一個好的題目就是成功的一半。對於這些85後博士生來說,選擇一個好的實驗團隊甚至遇到一位好的指導老師,或許就是成功的一半。

沈潔的博士生導師是中國科學院物理所崔琦實驗室的研究員呂力,在一次中國物理年會上,沈潔經本科的老師介紹,在會上和呂老師聊了起來,她覺得「呂老師的脾氣特別好,實驗室研究的方向也是我感興趣的。」馮硝選擇薛其坤做自己的導師也是類似的過程,因為一直對實驗物理感興趣,在保研時,她通過郵件聯繫薛老師,薛老師說:歡迎!後來,她順利通過了面試,進入了薛老師的課題組。

而在團隊中工作時,兩名年輕老師——35歲的何珂和38歲的王亞愚(實驗文章的通訊作者之一、清華大學教授),也總能給學生很多「正能量」。「他們自己總是充滿能量和激情,身體力行地向學生證明,做科研是很有趣的。」清華物理系五年級博士生張金松說,王亞愚老師寫文章的速度和質量都超出常人,一個晚上就能完成一篇文章的草稿,而一般人至少得寫一個星期,這使他們相當佩服,「他們做了這麼多年科研,還能這麼積極向上和努力,並且一直相信所做的東西一定會出成果,給我們一種不好好幹就不好意思的感覺。」

類似「牛頓被蘋果砸下來」的突發奇想並不適合自己

按照清華大學和中科院物理研究所研究人員的統計,從2009年開始的4年來,團隊已經生長和測量了超過1000個樣品。

整個實驗主要分為生長和測量兩部分,團隊根據每個人的特長進行分工,使效率達到了最大化,馮硝說,「團隊裡每個人的性格、關注點、特長都不一樣,這樣團隊才會有更多的可能性。」比如馮硝因為經驗豐富,在最後的攻關階段主要負責樣品生長;測量則主要是由張金松、沈潔、郭明華等人來做。郭明華被評價為「手特別巧」,因此負責在顯微鏡下加工、雕刻樣品,雕刻一件樣品要超過一個小時,她每天要雕上2~4個。而身強力壯的馮洋還要經常推液氦罐子,或者在清華與中科院之間穿梭傳遞樣品。

「這樣就能測得快,測得準,在短時間內發揮出最大的效率,能夠有科學發現的時間就會縮短。」張金松說。

團隊成員的生活基本上是三點一線,周一到周日從早到晚都待在實驗室,每天早上,馮硝把樣品送去給郭明華等人雕刻,加工完畢後降到極低溫,再送去測量時,就已經到了晚上。

他們唯一的放鬆方式是「體育輕鬆法」,這也是清華實驗方和中科院物理所實驗方的傳統,比如王亞愚組傳統是打桌球,而物理所馬旭村、何珂組的傳統就是打羽毛球。張金松告訴記者,組裡的同學進來的時候都打得不怎麼樣,現在則水平都還不錯。

遇到狀態「實在不好」的時候,沈潔就去看場電影,和朋友一起外出聚餐、旅遊,甚至「開學術會議」在她眼中也是一種調節的方式,她說,「比如,那些做出一定成果的前輩的講座裡也會講他們遇到什麼問題,曾經歷很長一段時間的低谷期,最後走出來了。這對我們也是一種很好的激勵方式。」

馮硝小時候的夢想是當科學家,但當時對科學家的定義很模糊,「就像牛頓被蘋果砸下來,理論的東西就出來了。」後來才發現,科研是一種「重複卻有創造性的工作」——在看似枯燥的實驗過程中,會不斷有新的東西冒出來。

沈潔也有類似的感受,她說,「在外人看來科研很枯燥,但是過程中不斷會遇到一些小的困難,我們花點精力解決了它們,獲得小的進展,這本身也是挺有趣的事情。」

理想是「能夠安安靜靜地做科研」

「有趣」的事情不一定能給人成就感,沈潔也經歷過這個階段,中國青年報記者發現,她的轉變或許能在一定程度上回答為何當下許多年輕科學工作者被詬病浮躁,乃至出不了成果。

如今的沈潔是「諾貝爾獎級」實驗論文的第一作者之一,但她在剛進入實驗室的前兩年的時間「一篇文章都沒發表」。

讀博士的第一年主要是上課和打基礎,那時的她發現,課題組的題目比較深,儀器操作起來也很複雜,要經過很長時間的培訓,以至於她基本處在「摸條件,學習操作儀器,甚至是看文獻」的階段,而身邊一些同學已經開始發表文章和出階段性的成果。她心裡越來越焦急,甚至想過「不管是大是小,先讓我發一篇文章再說吧」。「心裡雖急,但更知道自己所處的位置和階段——經驗知識都不夠,做科研還沒入門」。

沈潔是個興趣愛好很多的人,在頭兩年的「非收穫季節」裡,她也參加話劇社,學跳舞,生活多姿多彩。但在科研方面,出不了成果,發不了文章,她的內心甚至懷疑過「自己到底適不適合做科研」。

最終,她下定決心「不能再這樣下去,不溫不火地積累著」,必須全身心地付出和投入到科研上。於是,她幾乎取消了所有除科研以外的活動,有一段時間基本上一周七天,除了吃飯和睡覺都窩在實驗室,有時還要待到夜裡兩三點甚至要通宵。

後來,成果出來了。就像她說的,「精力花了,周期到了,收穫也就到了」。

如今再回過頭來看沒有「論文的頭兩年」,沈潔更加慶幸,「最開始的積累階段,自己沒有為了發文章而發文章。」她說,「頭兩年是沒必要那麼急的,一定要戒驕戒躁,那時候會覺得發一篇小文章也好,現在覺得發一些小文章意義沒有那麼大了。」

更重要的是,她覺得,「真的要做好工作,一定要靜下心來,要學會捨棄。不能看重太小的利益收穫,科研就是要放長線釣大魚。」

談及現在的「理想」或「夢想」,團隊裡的學生們大多沒有過於明確的概念,但是基本的路線卻很明確:畢業後繼續做博士後,在科研的道路上走下去。

沈潔的目標就是,「找一個科研組,安安靜靜地做一些科研。」馮硝、郭明華、張金松等人也不約而同地說,「就是想好好做科研,這件事情很簡單,但也很有趣。」

「我們很少去談夢想,我有時也會問自己夢想是什麼,自己也答不出來。但這並不代表人生是漫無目的的,我也許不知道具體的夢想,但是相信它一定是美好的。」即將到史丹福大學做博士後的張金松說,「或者說,夢想就是幸福快樂的生活,要一步步地向這個方向努力。」

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