丁洪：追捕“幽靈粒子”的夢想家

本刊記者　王　輝

丁洪：追捕“幽靈粒子”的夢想家

本刊記者王輝

專家簡介：

丁洪，現(xiàn)為中國科學(xué)院物理研究所研究員，北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家。1990年畢業(yè)于上海交通大學(xué)，1995年獲美國University of Illinois at Chicago的物理博士學(xué)位。1995年至1998年在美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室作博士后。1998年至2008年在美國Boston College大學(xué)物理系歷任助理教授、副教授、正教授。2008年全職加入物理所并入選首批國家“千人計(jì)劃”。主要研究方向?yàn)橛媒欠直婀怆娮幽茏V研究高溫超導(dǎo)體和新奇量子材料的電子結(jié)構(gòu)和電子激發(fā)性質(zhì)。在銅基超導(dǎo)體中贗能隙的發(fā)現(xiàn)、鐵基超導(dǎo)體s-波序參量的確定和外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)等重大物理問題有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

47歲的丁洪坐在我們面前，一頭烏黑的頭發(fā)里面已經(jīng)明顯摻雜了星星點(diǎn)點(diǎn)的銀絲。這些早生的白發(fā)記載了他歸國七年來的辛苦和操勞。

“丁老師非常敬業(yè)，經(jīng)常凌晨12點(diǎn)了，還在回復(fù)我們的郵件，和我們討論學(xué)術(shù)問題?！?/p>

“老丁這個(gè)人，只要實(shí)驗(yàn)裝置一開始運(yùn)轉(zhuǎn)，幾天幾夜呆在實(shí)驗(yàn)室里不出來，那都是家常便飯！”

他的同事和學(xué)生們?nèi)缡钦f。

丁洪卻極少會(huì)提及他在科研工作中的艱辛和困難，在他看來，作為一名科學(xué)家，遇到些困難都是科研道路上極為正常的事。相反，他總在感慨自己科研之路到目前為止都很順利，即便是他在高溫超導(dǎo)體研究方面以及不久前發(fā)現(xiàn)“外爾費(fèi)米子”的存在這種國際性物理問題上取得了重大突破，也被他歸結(jié)于自己的“運(yùn)氣不錯(cuò)”。

然而在他這一句云淡風(fēng)輕的“好運(yùn)氣”背后，卻藏著多少不為人知的工作量和各種辛苦。

丁洪很健談，思維很跳躍。他和我們談起他的“三個(gè)夢想”；談起他“放養(yǎng)”的學(xué)生們又取得了哪些突破；談起作為實(shí)驗(yàn)學(xué)家，他和那些理論學(xué)家們的對話；談起他年輕時(shí)敢于向?qū)W術(shù)權(quán)威發(fā)起挑戰(zhàn)；談起他的各種國際化的跨界合作……

最終話題還是不可避免地回到了不久之前國際上眾多科研機(jī)構(gòu)為發(fā)現(xiàn)有“幽靈粒子”之稱的外爾費(fèi)米子而展開的那場激烈的科研競賽。最終，中科院物理所的團(tuán)隊(duì)從理論預(yù)言、材料生長到實(shí)驗(yàn)觀測都是獨(dú)立和同時(shí)完成，而丁洪正是“捕捉”到“幽靈粒子”的那個(gè)人。時(shí)至今日，他依然難掩興奮：“這是今年物理學(xué)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)！具有里程碑的意義！”

捕捉“幽靈粒子”的國際競賽

“幽靈粒子”——聽上去就是一個(gè)充滿噱頭的名詞。而事實(shí)上，它確實(shí)也是讓眾多物理學(xué)研究者前仆后繼苦苦尋找的奇特物質(zhì)。

時(shí)間倒溯回1928年，狄拉克提出描述相對論電子態(tài)的狄拉克方程。一年后，德國科學(xué)家外爾指出，狄拉克方程質(zhì)量為零的解描述的是一對重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是“外爾費(fèi)米子”。然而這預(yù)言中的粒子卻像幽靈一般足足困擾了科學(xué)家們80多年，他們始終無法在實(shí)驗(yàn)中觀測到這種粒子。中微子曾經(jīng)在很長時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為是外爾費(fèi)米子，但是后來因發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量不為零而放棄。

雖然在宇宙中尋找外爾費(fèi)米子的基本粒子異常困難，但近年來拓?fù)洳牧系陌l(fā)現(xiàn)和快速發(fā)展使得外爾費(fèi)米子作為固體材料中的“準(zhǔn)粒子”成為了可能性。這種在“固體宇宙”中尋找外爾費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理最前沿的研究對象之一，也是世界各國物理學(xué)家競相追逐的目標(biāo)。為了能夠找到它，全世界的科學(xué)家爭相創(chuàng)造可能存在外爾費(fèi)米子的人工環(huán)境。

中科院物理所自然也沒有放松對于“幽靈粒子”的搜尋力度。早在兩年前，物理所的理論研究團(tuán)隊(duì)就意識到TaAs家族材料體系可打破中心對稱的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩種“手性”電子的分離。這一系列材料能自然合成，無需進(jìn)行摻雜等細(xì)致繁復(fù)的調(diào)控，更利于實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。去年底，他們將此理論預(yù)言在arXiv網(wǎng)站率先向全世界公開。該成果立即受到同行的注目，國際上眾多實(shí)驗(yàn)小組都投入到了競賽般的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作中。

就在2015年的1月5日，中科院物理所的電子郵箱里收到了一封“戰(zhàn)書”，這封來自美國普林斯頓大學(xué)Hasan小組的信，明確告知他們也在進(jìn)行類似的研究，同時(shí)也將自己的科研論文張貼到了arXiv網(wǎng)站上。這讓丁洪敏銳地嗅到了一股硝煙的味道，他意識到：捕捉“幽靈粒子”的國際競賽已經(jīng)進(jìn)入到白熱化階段了。

物理所團(tuán)隊(duì)成員們都感覺到了這種競爭激烈的氣氛，每個(gè)人都開始夜以繼日的加快速度，與同行競賽，與時(shí)間競賽。物理所強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)力量在此時(shí)發(fā)揮了作用，三個(gè)研究小組分別從理論、材料、實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)入手，團(tuán)結(jié)協(xié)作，環(huán)環(huán)相扣。捕捉“幽靈粒子”就好像在進(jìn)行一場戰(zhàn)役，有情報(bào)偵察、有后勤補(bǔ)給，也有前方?jīng)_鋒，“哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，外爾費(fèi)米子都不可能這么快地被成功發(fā)現(xiàn)。這是我們團(tuán)隊(duì)精誠合作的結(jié)果，彰顯了中科院物理所的整體實(shí)力！”丁洪談到當(dāng)時(shí)的經(jīng)過，依然熱血沸騰。

丁洪的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。這個(gè)小組的工作實(shí)際上是最辛苦的，因?yàn)橐鐾捷椛?，一?4個(gè)小時(shí)都要工作，經(jīng)常是通宵達(dá)旦。丁洪小組利用他們剛在上海光源建成的“夢之線”同步輻射X射線對TaAs晶體進(jìn)行了精確地測量，從材料中激發(fā)出來的電子的能量和動(dòng)量，就能反推出晶體材料的電子結(jié)構(gòu)。他們在2014年10月取得了初步數(shù)據(jù)，并在2015年初取得了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，第一次觀測到TaAs表面態(tài)存在費(fèi)米弧。而只要觀測到費(fèi)米弧，就能斷定外爾費(fèi)米子的存在，即從實(shí)驗(yàn)上“發(fā)現(xiàn)”了這種奇特的粒子！

2月16日，丁洪的實(shí)驗(yàn)小組在物理學(xué)界知名的學(xué)術(shù)交流網(wǎng)站arXiv上，公開了費(fèi)米弧的發(fā)現(xiàn)，宣布外爾費(fèi)米子被發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)終于率先揭開了80多年來的世界之謎！而幾乎與此同時(shí)，美國普林斯頓大學(xué)教授哈桑的實(shí)驗(yàn)小組也在arXiv網(wǎng)站上公開了類似的研究成果。

圍繞在外爾費(fèi)米子身上長達(dá)86年的神秘面紗終于被揭下，雖然后來的“發(fā)現(xiàn)歸屬之爭”問題在外界引起了一場沸沸揚(yáng)揚(yáng)的風(fēng)波，但是丁洪對此表現(xiàn)得非常超脫，在他看來，外爾費(fèi)米子從突破性發(fā)現(xiàn)到實(shí)用性材料投入應(yīng)用，仍有漫長的路程要走。尚待解答的許多問題，需要科學(xué)家們繼續(xù)投入相關(guān)領(lǐng)域的研究，這才是當(dāng)下最應(yīng)該關(guān)心的。

一聲召喚打起背包就回國

當(dāng)初，丁洪是懷揣著夢想從美國回國的。他曾經(jīng)不止一次的預(yù)言“未來的中國是一片能夠成就事業(yè)的熱土，也將是我的夢想開花結(jié)果的圣地?！笔聦?shí)證明，他的判斷是正確的。

1990年從上海交大畢業(yè)之后，丁洪就飛到大洋彼岸開始追逐自己的物理夢想。讀博士，做博士后，當(dāng)助教、副教授，并且成為美國波士頓學(xué)院大學(xué)物理系的終身教授。18年的時(shí)間，一步一個(gè)腳印。無論是從語言表達(dá)，還是生活方式以及思維觀念上，丁洪都已經(jīng)完全步入了美國節(jié)奏，除了胸腔里那一顆跳躍的中國心。

2007年11月，一個(gè)來自國內(nèi)的越洋電話更加觸動(dòng)了這顆思鄉(xiāng)之心。電話是中科院物理所打來的，明確邀請丁洪回國加盟。在這之前，丁洪也收到了香港大學(xué)的邀約，同時(shí)美國方面也開出了高薪條件來挽留他。他正處在一種抉擇之中。但是這響起的最后一個(gè)電話卻一下子敲碎了丁洪纏繞已久的糾結(jié)。當(dāng)即和妻子商議：回國去！

丁洪是個(gè)行動(dòng)派，從接受中科院物理所的聘書到辭去在美國的一切職務(wù)到舉家遷回國內(nèi)，僅僅用了三個(gè)月的時(shí)間。由于丁洪在國際物理界的名氣，他的歸國也在中美物理學(xué)界一石激起千層浪，引起了不小的反響。他的此舉創(chuàng)造了兩個(gè)紀(jì)錄，一個(gè)是成為國家第一批入選“千人計(jì)劃”的海外引進(jìn)人才，另一個(gè)是他成為美國物理界第一個(gè)辭去終身制正教授而回國的人。

有朋友對他的未來感到擔(dān)憂，認(rèn)為他起碼應(yīng)該為自己留條后路。但是丁洪對此不以為然，他覺得君子坦蕩蕩，既然決定要去做的事情，必然要全力以赴。他對國內(nèi)科研事業(yè)的長期關(guān)注讓他做出的大膽預(yù)言：隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，國家對于科技事業(yè)的重視，未來10到20年將會(huì)是中國科技發(fā)展的“黃金時(shí)期”。而他對于物理學(xué)所懷揣的夢想最大可能的圓夢地，那便是中國。丁洪對于自己的選擇充滿了信心！

馬不停蹄的鐵基高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

“我想做些更大的事情，為國家發(fā)揮更大的作用”，這是丁洪回國之際發(fā)出的心聲。話音未落，剛剛回到國內(nèi)的他，馬不停蹄地就參與到了中科院物理所正如火如荼進(jìn)行的鐵基高溫超導(dǎo)研究中。

超導(dǎo)指的是某些材料溫度降到臨界溫度以下，電阻突然消失為零的現(xiàn)象。作為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，超導(dǎo)體具有零電阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性，在科學(xué)研究、信息通訊、工業(yè)加工、能源存儲(chǔ)、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)乃至航空航天等領(lǐng)域均有重大的應(yīng)用前景，受到人們的廣泛關(guān)注，因此也成為21世紀(jì)的科研新寵。

丁洪之前也在美國研究了十幾年的高溫超導(dǎo)體——銅氧化合物。在2008年之前，超導(dǎo)體研究一直停留在銅氧化合物領(lǐng)域。這種材料易脆，作為輸電纜應(yīng)用時(shí)延展性與柔韌性不夠好，在大范圍的普及應(yīng)用上仍有一定困難。與銅氧化合物高溫超導(dǎo)體不同，一些鐵基超導(dǎo)體近似于合金，從制造工藝的角度更加容易，同時(shí)還能夠承受很大的電流，這就為廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但同時(shí)不得不面對的是，鐵基超導(dǎo)體性質(zhì)極為復(fù)雜，對科研人員的理論功底和實(shí)驗(yàn)技能都提出了更高要求。

丁洪的強(qiáng)勢加盟，讓本已在鐵基超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)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導(dǎo)的機(jī)理研究，他一回國就決定集中精力做好鐵基超導(dǎo)這種新型高溫超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)工作。就在他剛剛回到國內(nèi)的第二天，實(shí)驗(yàn)室的椅子還沒坐熱，在當(dāng)天的會(huì)議上聽說有一個(gè)剛出爐的試驗(yàn)樣品非常好，但當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還不齊全，他就馬上動(dòng)用自己國際上的人脈，聯(lián)系到一家日本合作者的實(shí)驗(yàn)室，幾天之內(nèi)買了機(jī)票帶上樣品直飛日本。

此后在日本的8天時(shí)間里，丁洪只在旅館里住了兩個(gè)晚上，其他時(shí)間都泡在實(shí)驗(yàn)室里，順利完成了實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體中依賴費(fèi)米面的無節(jié)點(diǎn)的超導(dǎo)能隙，并且還在一周內(nèi)完成了一篇質(zhì)量非常高并具有深遠(yuǎn)影響力的論文，被國際同行認(rèn)為是對鐵基超導(dǎo)體的s-波對稱性的建立具有奠基性意義的工作，算是打響了回國之后的第一炮。

超導(dǎo)機(jī)理以及全新超導(dǎo)體的探索是物理學(xué)界最重要的前沿問題之一，鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)是凝聚態(tài)物理的一個(gè)重大突破。對于中國科學(xué)家的這一工作，國際物理學(xué)界也予以了高度評價(jià)。那一年的歲末，榮譽(yù)接踵而來，中國的鐵基高溫超導(dǎo)研究被評為《科學(xué)》雜志“2008年度十大科學(xué)突破”、美國物理學(xué)會(huì)“2008年度物理學(xué)重大事件”以及歐洲物理學(xué)會(huì)的“2008年度最佳”。

在此后幾年內(nèi)，丁洪小組又對鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行了更深入的研究，發(fā)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個(gè)有說服力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了短程反鐵磁交換作用和相匹配的費(fèi)米面是導(dǎo)致鐵基超導(dǎo)的根本原因。這已成為被越來越多人的共識。

三個(gè)夢想照亮未來

當(dāng)下在年輕人中流行一句話：每天早起喚醒我的，不是鬧鐘，是夢想。丁洪的狀態(tài)也是如此。丁洪坦承：“我是一個(gè)特別愛造夢的人，愛追逐有挑戰(zhàn)性的事情做。”他為自己設(shè)定了三個(gè)夢想。

由于多年的研究工作，丁洪接觸最多的是同步輻射光源，早在2005年的時(shí)候，他就在美國的一個(gè)研討會(huì)上提出建設(shè)一條分辨能力達(dá)到10萬的軟X射線光束線，但當(dāng)時(shí)的參會(huì)人員紛紛表示這個(gè)想法不現(xiàn)實(shí)。苦于得不到支持，丁洪的第一個(gè)夢想只得暫時(shí)擱置。而在回國后不久，在中科院的支持下，丁洪申請到了財(cái)政部重大科研裝備研制項(xiàng)目，著手在上海同步輻射光源上建一條分辨能力近10萬的光束線站，已經(jīng)在去年的秋天完成了工藝驗(yàn)收，這條線站能量分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)是目前國際最高水平的5倍，它在隨后進(jìn)行的外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)中起了關(guān)鍵的作用。這便是丁洪的第一個(gè)夢想——Dream Line（夢之線）。

丁洪的第二個(gè)夢想是建設(shè)一個(gè)北京先進(jìn)光源，也就是他所講的Dream Ring（夢之環(huán)），這將是世界上亮度最高的高能同步輻射光源。他在2009年初首次提出建設(shè)5-GeV高能儲(chǔ)存環(huán)的北京新光源，并大力推進(jìn)立項(xiàng)工作。目前預(yù)研項(xiàng)目已獲得國家發(fā)改委的批準(zhǔn)，預(yù)計(jì)將在“十三五”期間正式建設(shè)。這個(gè)世界上最先進(jìn)的光源將為新材料、新能源、生態(tài)環(huán)保等國家重大戰(zhàn)略問題提供一個(gè)強(qiáng)有力的支撐平臺。

而丁洪的第三個(gè)夢想是Dream Center（夢中心），建設(shè)一個(gè)綜合性的國家科學(xué)中心。這將是一個(gè)以大科學(xué)裝置群為依托的多學(xué)科交叉的綜合研究平臺。目前，中科院和北京市已準(zhǔn)備在北京懷柔區(qū)建設(shè)北京綜合研究中心。為了打造這一“科技航母”，丁洪一回國就積極參與了北京綜合研究中心的整體規(guī)劃。用他的話說：除了忙一些科研的本職工作之外，還“跨界”做了很多工作，這也是其中之一。為了期待提高中國整體的科研水準(zhǔn)和科研氛圍，他親自參加了近百次相關(guān)研討會(huì)，為該中心的籌建起了至關(guān)重要的作用。

這三個(gè)夢想，有的已經(jīng)播種，有的已經(jīng)發(fā)芽，有的已經(jīng)開花結(jié)果。丁洪表示：“在物理學(xué)方面，雖然我國的一些研究小組已經(jīng)做到了世界頂尖水平，但在規(guī)模科技、大裝置建設(shè)、大的科學(xué)項(xiàng)目上與歐美相比還有很大的差距。我很想在這方面出一把力?！倍倪@三個(gè)夢想如果能夠一一實(shí)現(xiàn)，必將有助于中國科學(xué)界整體水平和地位的提升。

丁洪不止一次地告誡自己的學(xué)生：做科學(xué)，特別是基礎(chǔ)科學(xué)，從投入到產(chǎn)出，是需要一段比較長的時(shí)間的，需要你坐得了冷板凳，守得住清貧。做基礎(chǔ)科學(xué)有一點(diǎn)像搞藝術(shù)，追求的是一種夢想，而不僅僅是一份養(yǎng)家糊口的工作，所以需要有大胸襟，大氣度。

丁洪如是說，也是如此做的。身為北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家的他，每天忙碌著自己的試驗(yàn)、科研、培養(yǎng)學(xué)生，規(guī)劃團(tuán)隊(duì)的未來、與國內(nèi)外的朋友交流，還在不停地跨界合作……每天的日程排得滿滿當(dāng)當(dāng)，卻不知疲憊地樂在其中，在他的三個(gè)夢想照耀下，丁洪正充滿了豪情壯志，在未來的科技之路上鏗鏘前行！