在量子層面探索超冷化學奧秘的年輕人—訪2020級星友，中國科技大學上海研究院特任副研究員楊歡

打開2020年啟明星通訊錄，筆者注意到中國科技大學上海研究院（上海中科大量子工程卓越中心）從事原子分子物理研究的特任副研究員楊歡的名字。牛年新春前夕，我們來到位于浦東新區(qū)秀浦路99號的中科大上海研究院采訪楊歡。雖同處浦東熱土，但秀浦路較張江等還是偏了不少，周邊也沒有多少商業(yè)痕跡，倒是一個適合做學問的地方。我們在和楊歡交談中得知，剛過而立之年的他已在這里生活了8年，這里既是工作場所，也是楊歡等一批年輕人住宿所在。楊歡的工作是偏基礎研究的，是觀測研究絕對零度下原子分子的量子行為，探究其物理規(guī)律。除每年春節(jié)等長假安排回合肥家里之外，一年絕大多時間楊歡都在這里，每天工作到晚上12點，每周休息一天。楊歡因為真的十分喜歡自己所從事的科學研究工作，或許還有一份責任，他才能專注于此，并暫時舍棄與家人相守的人之常情。那么楊歡到底是從事什么研究，他的人生又是怎樣與中科大、與物理學研究發(fā)生關聯的？這一切還得從楊歡的家庭和教育背景說起。

從小受益于父親的思維方法

1989年，楊歡出生于江淮之間的安徽六安，是家中的獨子。父母都是農民，家庭經濟比較困難，楊歡初中時父母離家打工，由奶奶照管生活。與所有那個年齡的男孩一樣，楊歡也很貪玩，加上沒有人督促學習，學習成績在鎮(zhèn)里初中排在前十，以中等成績進入安徽毛坦廠中學，在3 000多學生中處于中游。第一學期自律還是不夠，楊歡母親就放棄打工回家，在毛坦廠中學附近租房照顧兒子的起居生活。楊歡的成績從中游上升到位居前十幾名，高一物理更考到全班第一。家里覺得他成績好，就付了2萬元借讀費讓他到六安一中（省重點）借讀，這里聚集了各市縣的拔尖學生，借讀生在一年內學習成績優(yōu)秀可轉為正式生。一年后楊歡正式進入六安一中。父親學過電工，平時也喜歡搗鼓機械電器，學會了電焊機維修。靠這門手藝賺了點錢，借讀贊助費就是這樣積攢下來的。慢慢懂事的楊歡知道父母掙錢不易，為他的讀書花了不少錢，因而在學習上更努力了。

說起父母對自己的影響和幫助，母親更多是潛移默化提醒自己要做一個踏實做事的人，而父親除了讓他知道一個男人的責任感外，還在學習方法上給他啟發(fā)。楊父雖然只有初中文化，但是他從小學起就注意培養(yǎng)孩子的思維方式，教兒子搞懂題目里的邏輯關系，盡管他也不一定知道具體怎么解題。這種訓練奠定了楊歡的數理基礎，這種解題思維讓楊歡在今后的學習和生活中一直受益良多。經過自己的努力和老師的幫助，最終楊歡考入了自己鐘愛的中國科學技術大學物理學院。

潘建偉院士的報告讓他確定了自己的方向

中科大坐落在安徽省合肥市，坊間曾經流傳：只有中科大才能放得下一張安靜的書桌。多年學習和生活在中科大的楊歡對于自己的母校有很深的感情，合肥畢竟不是北京上海這樣的大都市，加上科大素來的氛圍，所以這里仍然是國內最好的能靜心讀書的地方。到了大三大四同學們大都在申請出國留學，楊歡繼續(xù)回憶：“當時中科大畢業(yè)生的出國深造比例大于50%，我們宿舍4人中有3人出國，只有我留下來當土博士，其實我也曾有出國的想法，畢竟出國能夠接觸更多人和事物，開拓自己的眼界。但是一方面由于學習成績中等，很難申請到非常好的學校，另一方面覺得國內機會也很多，也能完成科研工作?！痹诔鰢€是不出國猶豫當口，還是大三學生的楊歡聽了潘建偉院士的一次報告后確定了自己的方向。潘建偉院士在報告中介紹了量子物理的神奇世界，并介紹了當時在國內開始搭建的量子通信、量子存儲和超冷原子量子實驗平臺，希望有志向的中科大學子能夠加入到研究團隊中，貢獻自己的力量。正是這個報告讓楊歡決定留下保研。大四時楊歡就加入了潘老師的團隊，剛開始進入了合肥的超冷原子量子模擬實驗室，邊讀書邊參與課題，當時帶他的導師是苑震生教授。

接觸物理從參與實驗室裝修起步

楊歡說他當時很理想化，認為進實驗室就能馬上接觸物理實驗。但沒想到這個實驗室是從零開始，從裝修開始，所有關鍵設備都得靠自己搭建。楊歡承擔的是負責平臺空氣潔凈過濾系統(tǒng)的搭建。參與實驗室搭建這個過程讓楊歡意識到做科研需要一步步往前推進，實驗室里的每個部件都很重要，都是在讓你逼近最終的實驗結果。

大四結束時，潘老師在上海的超冷原子分子實驗室開始搭建。楊歡被安排到由趙博教授負責的超冷分子量子模擬實驗室。也是從那時起楊歡就開始上海、合肥兩地跑。上海實驗室就在浦東秀浦路的這幢樓內。超冷分子實驗平臺非常復雜，在趙博老師和芮俊博士的帶領下，他們于2012年開始籌建實驗室，2013年正式開始搭建，到了2015年1月實現鈉原子玻色愛因斯坦凝聚（BEC）。2017年成功制備了超低溫的鈉鉀基態(tài)分子。

從量子層面探究分子原子的碰撞行為

楊歡具體從事的研究課題，包括正在進行的啟明星課題，是想探究超低溫下鈉鉀分子和鉀原子的碰撞性質。鈉鉀分子和鉀原子的碰撞過程非常復雜，其相互作用的勢能面涉及求解3個原子核和49個電子的薛定諤方程，理論計算極其困難。趙老師帶領課題組就想從最根本的層面探究分子原子碰撞的量子行為，希望有助于理解分子間碰撞、反應的機制和機理。在申請啟明星課題之前，楊歡就在觀察鈉鉀分子和鉀原子碰撞的共振現象，而啟明星課題主要是沿著這個方向，利用觀測到的現象再去深入挖掘相互作用的勢能面相關信息。

楊歡以上的介紹中出現了不少專業(yè)術語，筆者讓楊歡盡可能“非專業(yè)”化地科普一下量子模擬及其研究價值。楊歡說，作為量子科學重要分支之一的量子模擬，是為了在某些特定問題上解決現有經典計算機無法解決的物理問題。它主要利用高度可控的量子系統(tǒng)來模擬難以計算的物理系統(tǒng)，通過對復雜體系進行細致和全方位的研究，從而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。楊歡認為量子模擬具有真正意義上的基礎科學屬性，它可以驗證和探索量子力學物理規(guī)律，對于我們認識量子物理世界具有重要意義，這也是潘老師在一開始布局量子科學研究方向時，就對量子模擬非常重視的原因。

在楊歡眼中，潘老師不僅有前瞻的科學視野，而且在生活上也很關心上海研究院的員工，為他們解決生活中的具體困難，鼓勵年輕人追求卓越。

在實驗室調節(jié)分子鎖頻光路

參加第四屆量子信息基礎與技術國際會議

趙博老師把我領進超冷分子之門

楊歡要感謝的另一位是趙博老師。他說，趙老師的物理直覺極為敏銳，在實驗室觀測到的一些無法解釋的現象，他看到后就能敏銳地抓住關鍵點，弄清背后的理論機制。在他們做第一個合成弱束縛鈉鉀分子實驗時，最初在某個磁場的范圍合成效率非常低，而且無法解釋其原因，趙老師仔細觀察后發(fā)現無法合成分子磁場區(qū)域內的存在超冷化學反應?；谶@一發(fā)現，他們實現了第一個可控超低溫態(tài)化學反應。趙老師強調做實驗一要細致，二要敏銳，對細節(jié)現象不要放過，背后很可能隱藏著有趣的科學問題。楊歡舉了一個例子：在將鈉鉀弱束縛分子絕熱相干轉移至基態(tài)分子過程中，他們遇到了基態(tài)分子數目振蕩的實驗現象。通過細致測量和大膽猜測，最終證實是共振與失諧絕熱相干轉移過程發(fā)生量子干涉導致的。趙老師在課題組觀測到這一信號時以其敏銳的物理直覺抓住這一現象不放，直到找出背后的機制。

在潘老師和趙老師的帶領，以及團隊成員的共同努力下，楊歡和他的同事首次成功觀測到超低溫下鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子間的散射共振，該研究成果得到了《科學》審稿人的高度評價：這是一個非常重要和令人振奮的工作，雖然超冷分子已經被制備出來，卻從沒有分子散射共振被報道過；當前超冷化學研究的主要困難在于勢能面短程部分的信息無法從以往的實驗中獲取，這一工作改變了超冷極性分子和超冷物理化學的游戲規(guī)則；這一工作是當前原子分子物理研究的亮點，具有非常重要的意義。

如果從大四參與實驗工作算起，楊歡從事超冷原子分子物理實驗研究已9年有余。迄今為止，他的學術成果包括觀測超低溫度下可控態(tài)的化學反應，超低溫度下分子和原子碰撞的散射共振等。所參與的實驗工作發(fā)表于《科學》《自然-物理學》等雜志上。2020年，31歲的楊歡獲聘中科大特任副研究員，并入選上?？萍紗⒚餍怯媱?。

興趣和責任是我能堅持下來的原因

盡管訪問中我們一再試圖能對楊歡從事的量子模擬研究究竟是什么做一點通俗闡釋，卻還是未能如愿。但這也激起我們的好奇，是什么樣的力量與信念支持楊歡能數年如一日，每周六天、每天十幾小時潛心于一個如此純粹基礎研究的艱深課題？楊歡想了想這樣回復了筆者的書面問題：“首先還是興趣。想像一下自然界中的原子分子，我們可以通過手段把它們冷卻俘獲下來，并且操控其狀態(tài)，本身就是非常有趣的事情，尤其是我們的實驗用到兩種堿金屬原子鈉和鉀，在以前的認知中鈉鉀堿金屬怎么會合成分子呢？但在實驗中我們根據它們的相互作用合成了分子。其次，我們的科研工作完全是探索未知，實驗處于領先理論的階段，這個非常有意思，我們的一小步，在未來都可能產生不同的認知?？吹阶约旱墓ぷ髂軌虮煌姓J可，推動相關理論的發(fā)展，本身也很有成就感。再次，我覺得是責任。實驗平臺是我們幾個人一手搭起來的，花的經費也不少。我記得我剛畢業(yè)，有想過出去工作，但是當時芮師兄剛出國深造，實驗室也沒有新人，實驗缺少人手，老師希望我能夠留下來，最終我還是選擇繼續(xù)在實驗室。這里畢竟是我們的心血凝聚和奮斗過的地方?！?/p>

中國的量子科學研究正在大踏步向前躍進，在未來歲月里量子通信、量子計算和量子模擬以及精密測量等方向的重要進展會更多出現，因為參與者中有許多像楊歡這樣的受過很好的科學訓練，又靜得下心來做探索性研究的年輕人。這是中國量子科學的希望所在。希望這篇啟明星訪問能為日后中國量子科學取得更多更大成績留下一個注腳。