小房間里孕育的“大”成果

80多年前，意大利物理學(xué)家馬約拉納曾預(yù)測宇宙中存在一種神奇的粒子——馬約拉納費(fèi)米子。然而，不知為何馬約拉納卻神秘失蹤，這種神秘粒子是否真的存在也就成了一樁“懸案”。后來，凝聚態(tài)物理學(xué)家將馬約拉納費(fèi)米子的概念引入到固體材料中，即馬約拉納束縛態(tài)。由于它具有非阿貝爾統(tǒng)計的性質(zhì)，可運(yùn)用于拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)，因此，尋找馬約拉納費(fèi)米子成為物理學(xué)界最前沿的研究熱點(diǎn)。

近日，馬約拉納費(fèi)米子“現(xiàn)身”了，主要發(fā)現(xiàn)者是中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所研究員、中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院院長高鴻鈞及其團(tuán)隊(duì)和中科院物理研究所研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授丁洪及其團(tuán)隊(duì)。

2018年8月17日，農(nóng)歷七月初七，七夕情人節(jié)。女生化好精致的妝容等候著下班與伴侶浪漫約會，每家餐館門前都排起了“長龍”般的隊(duì)伍，既有燕侶鶯儔也有銀發(fā)伉儷，大街小巷隨處是玫瑰花的影子和香味……這一天，似乎空氣中也布滿了粉紅色的泡泡。

天色漸晚，華燈初上。與外面熱鬧的世界不同，中科院物理所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室N04組的房間里雖亦是燈火通明，但略顯安靜和“冷清”，只有范朋和一臺龐大實(shí)驗(yàn)儀器還在工作著，他們“背靠背”通過4塊電腦屏幕進(jìn)行著無言的交流。

范朋是中國科學(xué)院大學(xué)2014級博士研究生（培養(yǎng)單位是中科院物理研究所），師從高鴻鈞院士。他可能還未意識到，他們團(tuán)隊(duì)和中科院物理所研究員丁洪團(tuán)隊(duì)共同研究的一項(xiàng)重大成果正在引起一場爆炸式“轟動”，這可能是2018年中國物理學(xué)界送給國際物理學(xué)界最浪漫的“七夕禮物”。

小房間里孕育的“大”成果

這個禮物——首次在鐵基超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)的馬約拉納束縛態(tài)（或稱“零能?！薄ⅠR約拉納費(fèi)米子），8月17日凌晨在線發(fā)表在science《科學(xué)》雜志上，范朋是第一作者之一。

位于中科院物理所A樓一樓的納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室，大約30平方米，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計、集成研制的極低溫-強(qiáng)磁場-掃描探針顯微系統(tǒng)占據(jù)著房間三分之二的空間，馬約拉納費(fèi)米子就是在這個設(shè)備上觀測到的。

1937年，意大利物理學(xué)家馬約拉納曾預(yù)測一種神奇的粒子：其反粒子就是它本身，人們便把這種神奇粒子稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。然而，不久后，他便離奇失蹤，再無蹤跡，但他的預(yù)測真假與否卻成了一樁“懸案”。

由于馬約拉納費(fèi)米子具有一種極優(yōu)的特性——當(dāng)它以準(zhǔn)粒子的形式出現(xiàn)在固體材料表面時，就會變成馬約拉納任意子（一種量子狀態(tài)），這可以用來構(gòu)造拓?fù)淞孔颖忍?，?yīng)用于自容錯、高穩(wěn)定性的拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)。也就是說，如果成功，這將改寫人類的歷史。

不過，馬約拉納費(fèi)米子是否真的存在，不同物理學(xué)家各持己見。直到2014年，丁洪團(tuán)隊(duì)與國外科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)了某些“蛛絲馬跡”。2017年，將馬約拉納費(fèi)米子命名為“天使粒子”的斯坦福大學(xué)講習(xí)教授、美國科學(xué)院院士張首晟及其團(tuán)隊(duì)也進(jìn)一步預(yù)測了出現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)可能合適的條件。

尋找馬約拉納費(fèi)米子是物理學(xué)界最前沿的熱點(diǎn)之一，許多物理學(xué)家都投入到相關(guān)研究中，競爭異常激烈。近年來，美國、荷蘭、中國、丹麥等多個研究團(tuán)隊(duì)都曾宣稱找到了馬約拉納任意子或者費(fèi)米子的證據(jù)，但他們的實(shí)驗(yàn)，都需要構(gòu)造工藝復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，并且需要極低溫的條件。

高鴻鈞和丁洪聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的觀測結(jié)果被稱為是一項(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，也成為人類攻克拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)難題中的重要一步。

它的價值很大。

這是第一次在單一塊體超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)高純度的馬約拉納費(fèi)米子，相比其他體系，該體系擁有更高溫、更純凈、結(jié)構(gòu)更簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時，為馬約拉納費(fèi)米子的研究開辟了新方向。

它的意義十分重要。

張首晟說，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)科學(xué)意義十分重大，大大推動了鐵基超導(dǎo)的研究與馬約拉納費(fèi)米子的研究。

諾貝爾物理學(xué)獎得主、美國科學(xué)院院士安東尼·萊格特認(rèn)為，這次的實(shí)驗(yàn)比許多以前的實(shí)驗(yàn)更清晰，相信它是第一個可信的證明超導(dǎo)體中擁有馬約拉納準(zhǔn)粒子的證據(jù)。

麻省理工學(xué)院講習(xí)教授、美國科學(xué)院院士文小剛表示，它有很高的穩(wěn)定度，這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，使鐵基超導(dǎo)材料有可能應(yīng)用于構(gòu)建對環(huán)境干擾免疫的拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)。

2019年年初，這項(xiàng)成果被中國科學(xué)院院士和中國工程院院士們列為“2018年中國十大科技進(jìn)展”之一。

熱愛+努力

成功的故事總是相似的。一項(xiàng)重大成果的取得，背后一定由無數(shù)個默默奮斗的深夜累積而成。

范朋和王東飛對整個實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷記憶深刻。該研究始于2017年4月，從那時起，每天實(shí)驗(yàn)室-食堂-宿舍“三點(diǎn)一線”就成了他們的“日?！?，時不時地通宵作為“加菜”。王東飛是范朋的師兄、2013級博士研究生，也是論文的第一共同作者。

這個實(shí)驗(yàn)需要利用He-3極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡對FeTe0.55Se0.45單晶樣品進(jìn)行觀察。

一開始，他們并不知道哪些單晶樣品能出“好的結(jié)果”，只能不斷地嘗試，一共測試了47塊樣品。5月，王東飛和范朋在嘗試測試第二批樣品時，電腦屏幕上突然顯示出了一絲絲“小火苗”般馬約拉納費(fèi)米子的跡象，他們很是驚喜，但同時也深知，這只是跡象，數(shù)據(jù)質(zhì)量并不夠好。

一個月后的6月5日，他們終于獲得了第一套比較“漂亮”的數(shù)據(jù)——純粹且不受干擾。他們立刻向高鴻鈞和丁洪兩位老師匯報了結(jié)果，老師們當(dāng)即表示，這就是馬約拉納束縛態(tài)。

然而，他們并沒有止步于此，科學(xué)家對于“純”的追求永無止境。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，他們利用更高分辨率的He-3極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡完善數(shù)據(jù)。

“我們必須要快?！狈杜笳f。因?yàn)?，國?nèi)外還有很多個團(tuán)隊(duì)也在同時開展相關(guān)研究。

那是一段艱辛?xí)r光。王東飛、范朋、孔令元早上9點(diǎn)開始工作，時常在深夜12點(diǎn)甚至更晚才回宿舍或回家。而遇到關(guān)鍵時期——數(shù)據(jù)采集時，需要操作人員不間斷地觀察，每隔幾分鐘就需要分析一次數(shù)據(jù)，并及時調(diào)整測量參數(shù)，為了盡快拿到高質(zhì)量結(jié)果，范朋與王東飛，以及孔令元3人輪班通宵，每個晚上2人一起結(jié)伴操作。而每找到一個好樣品就要排一次班，每次持續(xù)2~3周的時間。

那也是一段充滿成就感的時光，對他們來說，當(dāng)看到數(shù)據(jù)一點(diǎn)點(diǎn)逼近理想值，所有辛苦早已煙消云散。

“傳幫帶”打造最強(qiáng)團(tuán)隊(duì)

包括這次首次在超導(dǎo)塊體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納任意子，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在凝聚態(tài)物理及其應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了許多個“首次”和“第一”。

他們提出了基于單晶表面外延的高質(zhì)量、大面積的石墨烯生長技術(shù)，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了在Ru(0001)表面獲得缺陷可控、1個厘米大小的、連續(xù)的單晶石墨烯；首次成功構(gòu)筑了新型二維過渡金屬單硫化物——單層硒化銅；在國際上首次實(shí)現(xiàn)單個自旋量子態(tài)的可逆操控及其在超高密度量子信息存儲中的原理性應(yīng)用；在國際上首次實(shí)現(xiàn)了朗德g因子原子尺度的空間分辨……

優(yōu)秀成績的取得，離不開一個好的團(tuán)隊(duì)成長機(jī)制，高鴻鈞有自己的“帶團(tuán)”秘訣，而這個方法，能讓每一位科研“新手”迅速成長。

2015年夏天，結(jié)束了研究生一年級的課程學(xué)習(xí)，范朋回到課題組后，導(dǎo)師并沒有給他安排一個固定的研究方向，而是先跟著王東飛學(xué)做科研的“手藝”。剛開始的那兩年，范朋參與了課題組里許多方向的研究，包括硫化鉬、石墨烯納米帶、鐵碲硒單晶……這些雖然都是納米尺度的表征研究，但不同方向卻有“很大差別”。

不聚焦在一個方向如何做深呢？有利于個人成長嗎？

“凝聚態(tài)物理是與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系較為緊密的物理科學(xué)，研究熱點(diǎn)會隨著時間而變化，個人具體研究的內(nèi)容也會隨著熱點(diǎn)而變。”范朋講述著他的感悟。在找到自己感興趣的研究方向之前，更多需要學(xué)習(xí)的是做科研的技能，從實(shí)驗(yàn)儀器怎么組裝、實(shí)驗(yàn)器材如何買，到不同研究內(nèi)容的文獻(xiàn)調(diào)研、相關(guān)軟件等“全套的”科研流程都需要了解一番，“只要跟科研工作有關(guān)的，都需要跟著老師和師兄們學(xué)一學(xué)，老師、師兄的師兄也會幫忙‘帶’。”

在王東飛看來，“傳幫帶”是一個很好的模式，而在他們團(tuán)隊(duì)也早已成為一個傳統(tǒng)。

“導(dǎo)師密切關(guān)注本領(lǐng)域最重要的發(fā)展前沿。導(dǎo)師設(shè)計和研制國際頂尖的儀器裝備，然后帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展強(qiáng)力攻關(guān)。”“剛進(jìn)入科研領(lǐng)域，我們可能并不知道對哪個方向感興趣，只有多學(xué)多看才知道自己想要什么，接觸不同研究的過程也是尋找自己興趣點(diǎn)的過程?！?/p>

王東飛說，通過初期的科研訓(xùn)練和對相關(guān)課題及研究方向的大致了解，學(xué)生會大致了解自己感興趣的方向及自身的優(yōu)勢和劣勢。有時導(dǎo)師還會幫助學(xué)生作分析，為學(xué)生作選擇提供建議?！皩?dǎo)師的學(xué)術(shù)視野非常廣?！?/p>

“每周，同一個研究方向的成員都會開小組會，導(dǎo)師們聽我們匯報最新進(jìn)展，幫助我們解決遇到的問題?！狈杜笳f。

此外，每周六上午，課題組都會召開文獻(xiàn)報告，每位成員都需要用英語講演某個方向的綜述，或者是一項(xiàng)最前沿的科研進(jìn)展。

除了“傳幫帶”和組內(nèi)的交流討論，廣泛而密切的國際合作、鼓勵學(xué)生與國際頂尖學(xué)術(shù)大咖對話，也是團(tuán)隊(duì)得以快速成長的又一秘訣。

來自美國、英國、德國等該領(lǐng)域國際頂尖科學(xué)家與課題組建立了或長期或短期的合作關(guān)系，每個季度，他們會來到物理所作報告，與學(xué)生就實(shí)驗(yàn)問題和成果進(jìn)行交流討論。

目前，范朋正在寫作一篇關(guān)于TMD二維材料研究的研究論文，初稿已經(jīng)完成，但他在與一位外籍科學(xué)家交流時，發(fā)現(xiàn)自己的論文有點(diǎn)“平鋪直敘”，并沒有突出工作亮點(diǎn)，在外籍科學(xué)家的指導(dǎo)下，他學(xué)到了如何在論文寫作中突出研究亮點(diǎn)、理清邏輯思維，以及表達(dá)得簡潔明了。“科研最終是要在國際舞臺上展示的。實(shí)驗(yàn)做出來后，如何用英文匯報自己的學(xué)術(shù)成果，讓別人聽得懂、理解到研究亮點(diǎn)并接受，這很重要，也非常具有挑戰(zhàn)性?！狈杜笳f，

有時候，成長或許只在高手的一兩句點(diǎn)睛言語之間。

從高鴻鈞團(tuán)隊(duì)走出來的博士畢業(yè)生中，目前有3位在美國的著名大學(xué)做教授、一位在新加坡的著名大學(xué)做教授，有10多位在國內(nèi)的著名大學(xué)和研究所做教授和研究員，如：中國人民大學(xué)、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)和中國科技大學(xué)等，還有幾位留在物理所工作。

“馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)只是萬里長征邁出的第一步，它的特性還需要探索研究?！苯衲?月，王東飛到德國漢堡大學(xué)應(yīng)用物理與跨學(xué)科納米科學(xué)中心研究所做博士后，繼續(xù)著馬約拉納費(fèi)米子的研究。

而對于即將結(jié)束博士生涯的范朋來說，也早已找到了自己的研究興趣。未來，他希望走向更高的國際舞臺，繼續(xù)從事他所熱愛的科研事業(yè)。