相場(chǎng)方法模擬研究的奔跑者——記北京科技大學(xué)物理系主任馬星橋教授

本刊記者 劉 賀

相場(chǎng)方法起源于朗道的相變理論，是一種基于體系自由能計(jì)算的動(dòng)力學(xué)方法，上個(gè)世紀(jì)中期曾被用于固體中擴(kuò)散，Spinodal分解等過程的計(jì)算。80年代初，Khachaturyan發(fā)展了微彈性理論，使相場(chǎng)方法可用于涉及彈性變形的實(shí)際體系中。通過陳龍慶等人在90年代早期的計(jì)算機(jī)模擬工作，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了它在工程模擬方面的優(yōu)勢(shì)。它可以模擬相變過程，對(duì)模擬非均勻體系中疇或微觀組織的形成和演化過程以及材料在非均勻體系中的物理性質(zhì)十分有效。近年來，相場(chǎng)方法在材料計(jì)算模擬方面正越來越受到重視，有望發(fā)展成可用于材料和器件工程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬手段。

10多年來，北京科技大學(xué)物理系馬星橋教授在相場(chǎng)模擬領(lǐng)域不斷進(jìn)取，主持和參與了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，并取得了豐碩成果。他長(zhǎng)期工作在物理教學(xué)的第一線，并曾主管物理系的教學(xué)工作，使物理課的教學(xué)改革和課程體系建設(shè)獲得顯著進(jìn)步。2011年，馬星橋開始擔(dān)任北京科技大學(xué)物理系系主任，他積極投入到物理系的學(xué)科建設(shè)、教學(xué)改革和國(guó)家工科物理教學(xué)基地建設(shè)中。以物理系教師為主，申報(bào)“北京市弱磁檢測(cè)與應(yīng)用工程中心”獲得批準(zhǔn)，組織承辦了“2012多次度材料模擬計(jì)算國(guó)際研討會(huì)”，與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所合作，成立了“黃昆班”，聯(lián)合培養(yǎng)半導(dǎo)體領(lǐng)域的高端人才，使物理系有了新的發(fā)展。

面向未來，馬星橋教授希望在相場(chǎng)方法模擬，特別是磁電介質(zhì)相場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域有著更大的突破。同時(shí)，在教育教學(xué)及學(xué)科建設(shè)方面繼續(xù)做出成就。為國(guó)家培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才。

漫漫求索路

1977年的冬天，中斷了十年的中國(guó)高考制度終于得以恢復(fù)，成千上萬的人重拾求學(xué)之夢(mèng)。雖是嚴(yán)寒冬季，可在這些人心里，已燃起熊熊大火。馬星橋就是其中的一員，他如愿考上了北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）物理專業(yè)。從此，開啟了物理探索之旅。

經(jīng)過十年“文革”，高校急缺教師，紛紛興辦師資班。馬星橋成為了北京鋼鐵學(xué)院物理師資班的一員，1982年畢業(yè)后，他留校任教。一年后，他在職攻讀了北京科技大學(xué)和中科院物理所聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生，在物理所磁學(xué)研究室學(xué)習(xí)并從事非晶態(tài)合金磁性、電性和熱穩(wěn)定性的研究。這段求學(xué)經(jīng)歷為他日后的科研方向的選擇奠定了基礎(chǔ)。1986年，馬星橋碩士畢業(yè)，回校后，他兼顧教學(xué)和科研的工作。2000年，馬星橋赴香港理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位，他的博士論文題目是“鋯合金中氫化物在應(yīng)力場(chǎng)中析出形貌的相場(chǎng)方法計(jì)算機(jī)模擬”。鋯合金是一種核結(jié)構(gòu)材料，在使用環(huán)境中會(huì)有氫化物析出，產(chǎn)生滯后斷裂，影響使用壽命。博士論文工作使他對(duì)相場(chǎng)方法有了深入的理解，令他深深喜愛上這種與工程實(shí)際緊密結(jié)合的計(jì)算方法，從此開始了這一領(lǐng)域的探索。學(xué)習(xí)期間，他得到了相場(chǎng)方法專家陳龍慶教授的指點(diǎn)，此后他們的合作一直保持至今。博士畢業(yè)后，馬星橋信守對(duì)母校的承諾，毅然選擇回校任教，并結(jié)合他在磁學(xué)方面的研究經(jīng)歷，把主要科研方向集中在了電、磁材料物理性質(zhì)的相場(chǎng)方法計(jì)算機(jī)模擬上。

馬星橋向記者介紹，很多工程材料由多相形成的微觀組織或多疇結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其宏觀性質(zhì)除了與每一單相的性質(zhì)有關(guān)，還與微觀組織的形貌或疇的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對(duì)材料微觀組織的研究已成為材料研究中不可或缺的一環(huán)，相場(chǎng)方法對(duì)模擬相變過程中微觀組織和疇的形貌演化十分有效。由于相場(chǎng)方法模擬的結(jié)構(gòu)在介觀尺度，介于宏觀的連續(xù)介質(zhì)尺度和微觀的原子尺度之間，因此，相場(chǎng)方法可作為建立多尺度計(jì)算模型中的重要環(huán)節(jié)。相場(chǎng)方法的另一個(gè)特色是可以計(jì)算多種外場(chǎng)下的耦合作用和不同介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料的物理性質(zhì)。馬星橋在磁電材料相場(chǎng)模擬領(lǐng)域的工作主要集中在多場(chǎng)作用下多鐵材料性質(zhì)與調(diào)控的相場(chǎng)方法研究和自旋轉(zhuǎn)移力矩及自旋軌道耦合對(duì)自旋輸運(yùn)性質(zhì)影響的相場(chǎng)方法模擬與實(shí)驗(yàn)觀察兩個(gè)主要方向，兩個(gè)方向的研究均取得了顯著的進(jìn)展。

豐富了磁電體系的相場(chǎng)方法

2005年，馬星橋課題組與陳龍慶教授合作，開始用相場(chǎng)方法研究鐵磁性形狀記憶合金Ni2MnGa的性質(zhì)。他們對(duì)鐵磁性馬氏體贗彈性和偽塑性的特點(diǎn)從外磁場(chǎng)下的磁疇和馬氏體變體耦合的角度進(jìn)行了研究，得到了磁疇和馬氏體變體的原位關(guān)系及其隨外磁場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的演化，這是實(shí)驗(yàn)中很難得到的結(jié)果，加深了人們對(duì)鐵磁性馬氏體超彈性及偽塑性現(xiàn)象機(jī)理的理解。

馬星橋向記者介紹，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變合金因被認(rèn)為是潛在的磁制冷材料而成為研究熱點(diǎn)，它包含磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下反鐵磁馬氏體到鐵磁性?shī)W氏體的相變。自該類合金被發(fā)現(xiàn)以來，對(duì)磁驅(qū)相變現(xiàn)象的理論研究和機(jī)理探討一直是人們所熱心的課題。磁驅(qū)相變需滿足哪些條件？磁化強(qiáng)度，應(yīng)變等相關(guān)物理量在應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的作用下或者在這些場(chǎng)的耦合作用下將如何變化等都是人們關(guān)心的問題。他們新建的相場(chǎng)模型可以模擬反鐵磁相的相變過程，這種模型過去還未有過。他們還利用第一性原理對(duì)該合金體系的相變條件進(jìn)行了研究。該研究有助于揭示磁場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)影響馬氏體相變的的規(guī)律與機(jī)制，豐富了對(duì)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鐵磁性馬氏體相變的認(rèn)識(shí)，對(duì)幫助人們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)高性能的新材料具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。此外，馬星橋還進(jìn)行了鐵電薄膜，鐵電超晶格及鐵電線與基底耦合，鐵磁薄膜交換耦合作用研究，開發(fā)過多外場(chǎng)作用下鐵電/鐵磁復(fù)合多鐵材料的相場(chǎng)計(jì)算程序，該程序利用GPU計(jì)算，速度比CPU程序提高27倍，結(jié)果在2012多尺度材料模擬計(jì)算會(huì)議上進(jìn)行了報(bào)道。在鐵磁性馬氏體相變方向，他的課題組也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)表了多篇實(shí)驗(yàn)論文?，F(xiàn)在，馬星橋課題組在多鐵材料調(diào)控方法研究及其在自旋電子學(xué)器件應(yīng)用方面與陳龍慶教授仍在合作開展研究。

馬星橋課題組自2007年開始即進(jìn)行了自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）對(duì)自旋翻轉(zhuǎn)及自旋進(jìn)動(dòng)規(guī)律的相場(chǎng)方法及微磁學(xué)方法研究，該研究可以起到對(duì)利用電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的MRAM及納米自旋振蕩器輔助設(shè)計(jì)的作用。他們不但對(duì)電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行了闡釋，而且提出了一種實(shí)現(xiàn)四態(tài)存儲(chǔ)的方案及一種實(shí)現(xiàn)磁矩垂直面進(jìn)動(dòng)（OPP）的方案。實(shí)現(xiàn)OPP是提高納米自旋振蕩器輸出功率的一種可行方案。近年來，自旋軌道耦合效應(yīng)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響正成為研究熱點(diǎn)，有望利用這種效應(yīng)開發(fā)出新型的自旋電子器件。馬星橋課題組正在研究既可包含STT作用又可包含自旋軌道耦合作用的相場(chǎng)計(jì)算方法及軟件。與微磁學(xué)方法相比，相場(chǎng)方法不僅可以模擬磁性材料，而且可以加入多種外場(chǎng)（如電場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)）的作用和多種（如鐵磁、鐵電和鐵彈性）材料的耦合，使之成為可用于新的自旋電子學(xué)器件的模擬和輔助設(shè)計(jì)的實(shí)用工具。這是課題組最近的重點(diǎn)研究方向。

教書育人是教師的光榮使命

馬星橋在從事科研的同時(shí)，也擔(dān)任著教書育人的工作。他說：“我個(gè)人比較喜歡教書，越教越有感情，培養(yǎng)人才是一件很有意義的事情?！泵慨?dāng)見到從前的學(xué)生，看著他們都有著出色的表現(xiàn)，馬星橋心里甚是欣慰。

在教師崗位上已工作30多個(gè)年頭的馬星橋，始終不忘如何為國(guó)家多培養(yǎng)一些人才。他認(rèn)為，國(guó)家未來要看下一代人，人才的成長(zhǎng)需靠學(xué)校的培養(yǎng)，教師是培養(yǎng)具有創(chuàng)新性人才的一個(gè)重要因素?！耙粋€(gè)好的老師，本身應(yīng)該具有探索和創(chuàng)新精神，這樣才能有效影響到學(xué)生。而想要做到這一點(diǎn)，教師參加科研工作是最好的途徑?！苯┠陙?，北京科技大學(xué)物理系通過管理制度的改革，建立了縱向采取學(xué)術(shù)梯隊(duì)，橫向采取課程組的師資隊(duì)伍模式，打破了科研與教學(xué)相分離、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離的局面。梯隊(duì)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)青年教師的科研能力的培養(yǎng)，課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)提高青年教師的教育教學(xué)水平，形成了通過科研活動(dòng)使教師的學(xué)術(shù)水平和綜合素質(zhì)大大提高，教學(xué)與科研的結(jié)合使教學(xué)內(nèi)容不斷充實(shí)、與日新月異的高新技術(shù)緊密結(jié)合的良好互動(dòng)局面。

馬星橋在美國(guó)做學(xué)術(shù)訪問時(shí)曾留意到，學(xué)生對(duì)一些做出高水平科研工作的老師感到非常敬佩，這些老師在教學(xué)過程中潛移默化地把一些思考方法傳給了學(xué)生?！八麄儾坏讨R(shí)，而且教思想、教方法。走在科技前沿的老師往往能較快地將學(xué)生引領(lǐng)到前沿的研究工作中去，反過來，青年人的活躍思想和求知欲，也會(huì)對(duì)教師保持活力產(chǎn)生良好的影響?！瘪R星橋總結(jié)道，“創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，第一要打好學(xué)科基礎(chǔ)，第二個(gè)是使他們能夠比較早地進(jìn)入到高水平的科研組，接觸國(guó)際前沿的工作”。

在美國(guó)與陳龍慶教授（前排左四）課題組成員合影

2013年，北京科技大學(xué)物理系與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作，成立了旨在培養(yǎng)半導(dǎo)體領(lǐng)域高水平人才的“黃昆班”。馬星橋向記者介紹，黃昆先生是我國(guó)著名的固體物理學(xué)家，我國(guó)半導(dǎo)體物理學(xué)的奠基人，他的工作具有廣泛的世界影響。黃昆先生2001年獲得國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。半導(dǎo)體所是中國(guó)半導(dǎo)體方面科研水平最高的單位，半導(dǎo)體所與北科大合作辦學(xué)，旨在探索一條培養(yǎng)高水平人才的新途徑。半導(dǎo)體所派部分老師來校講學(xué)，畢業(yè)生中保送優(yōu)秀學(xué)生到半導(dǎo)體所深造。目前，首屆黃昆班已經(jīng)本科畢業(yè)，全班25名學(xué)生中有22人保送或報(bào)考了研究生，全部被中科院半導(dǎo)體所、高能所，北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、紫金山天文臺(tái)、北京科技大學(xué)錄取，上研率達(dá)到100%。另外3名希望就業(yè)的學(xué)生也如愿找到自己滿意的工作，全班就業(yè)率也達(dá)到100%。馬星橋希望今后黃昆班能越辦越好，帶動(dòng)物理系半導(dǎo)體物理及其他方向一起發(fā)展。

近年來，北京科技大學(xué)物理系取得了一系列的好成績(jī)：獲得物理學(xué)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)、國(guó)家工科物理教學(xué)基地、北京市實(shí)驗(yàn)示范中心；《大學(xué)物理》和《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》兩門課程獲得北京市精品課程，3名教師獲得北京市教學(xué)名師獎(jiǎng)；2012年，以物理系教師為主申請(qǐng)的“北京市弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程中心”獲得批準(zhǔn)……其中均有馬星橋付出的努力。馬星橋是北京市精品課程《大學(xué)物理》、教育部《凝聚態(tài)物理專題》雙語(yǔ)示范課的負(fù)責(zé)人，曾獲寶鋼教育獎(jiǎng)-優(yōu)秀教師獎(jiǎng)，2010年獲得北京市教學(xué)名師獎(jiǎng)，2011年獲政府特殊津貼，2012年成功組織了多尺度材料計(jì)算模擬國(guó)際研討會(huì)。

馬星橋告訴記者，雖然取得了一些成績(jī)，但是與國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的物理院系相比，還有相當(dāng)多需要學(xué)習(xí)和提高的地方。他希望物理系堅(jiān)持基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究相結(jié)合的原則，做出自己的特色。除了繼續(xù)做強(qiáng)原有的學(xué)科方向外，在材料模擬計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，他希望建設(shè)好北京市弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程中心，在半導(dǎo)體等方面有所發(fā)展。

馬星橋現(xiàn)在在科研和教學(xué)中絲毫未有松懈，他總覺得自己身上的擔(dān)子還很重。他將繼續(xù)在相場(chǎng)模擬計(jì)算及新磁電材料研究領(lǐng)域做一名奔跑者，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奔向更好的未來。