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方忠:科学家要有美食家一样的“味觉”

中华英才 作者:齐殿斌 2017-03-15 15:25

核心提示: 专访首届“全国杰出科技人才”奖获得者,中国科学院物理研究所副所长、量子模拟科学中心主任方忠。

方忠率领他的团队在科研道路上取得了一系列重要突破,从铁基超导到拓扑绝缘体,从量子反常霍尔效应到拓扑外尔半金属。这些基础研究领域的重大成果,有多项已经走在了世界的前列,为国家争得了极高的荣誉。

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2015年初,由中国科学院物理研究所科学家团队首次成功预言、制备、观测到全世界科学家苦苦寻觅了80多年的“外尔费米子”。科学家们认为,这一发现对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术的突破具有非常重要的意义。

经中国科协推荐,2月16日上午,本刊记者在北京中关村的中国科学院物理研究所红色的M楼内,采访了这个科学家团队的领军人——首届“全国杰出科技人才”奖获得者,中国科学院物理研究所副所长、量子模拟科学中心主任方忠研究员。

采访方忠颇不容易,这不仅因为他的工作日程排得很满,还因为他几乎从来不接受记者采访。“除了我们中科院的一个学生记者团之外,我几乎推掉了所有媒体的采访要求。”方忠解释说,“但中国科协是我们科技工作者的‘娘家’,《中华英才》是‘娘家’推荐的有影响的高端媒体,所以我很愿意接受您的采访。”

虽然多次获得国际国内大奖,但方忠却显得淡定,“获奖是团队的成就”。在谈到做科研的体会时,方忠说,科学家要有像美食家一样的“味觉”,能准确判断出什么是重要的科研工作,什么是有意义的科学研究。对人类有益,面向世界科技前沿,面向国家重大需求,面向国民经济主战场,才是真正的重要意义。

突然长大  从贪玩男孩到“一路保送”

“我对物理学有着浓厚的兴趣,但结缘物理并非一蹴而就。”谈到自己如何走上物理学研究之路时,方忠很是感慨。

方忠祖籍山东。父母是解放前参加工作的干部,在湖北省汉川县工作。他作为家庭里最小的孩子和唯一的儿子,从小被呵护、被娇惯,也十分贪玩。“我从小就很贪玩,上学后也没把心思放在学习上,成绩一直不太好。直到上初二那年,父亲因病突然去世,我好像一下子就长大了,意识到自己应该努力了。”谈起这段难忘的岁月,方忠至今记忆犹新。

那个年代,为了照顾生活困难的家庭,国家有个“子(女)承父业”的“接班制度”。考虑到方忠家母亲带着四个孩子的实际困难,父亲生前单位同意方忠来“接班”,当时他也决定去顶职,担负起家庭的重担。

然而,当时的方忠也不过是个十二三岁的孩子,小小年纪就不上学了,他还是不甘心。反复考虑后,在准备上班前,方忠跟母亲说:“让我再考一次试吧,我如果考上高中就继续读书;如果考不上就去顶职上班。”母亲同意了。通过协商,父亲生前单位也同意把方忠的顶职名额保留了一年。

经过一年“拼命”的学习,方忠以略高于录取线的成绩考入汉川县最好的重点高中。“那是我这辈子经历的唯一的一次考试,之后从大学到读研、读博都是一路保送。”

跨入心仪的高中,方忠非常珍惜这来之不易的机会,全身心地投入到各门功课的学习之中,“学习成绩有了‘突飞猛进’的进步”。入学时,他是班级倒数第几名,而第一学年结束后他就考到全班第一,随后变成全年级第一,并且比第二名的分数高出很多。“家庭的变故给了我刻苦学习的动力,而在学习知识中又让我找到了极大的兴趣。”

高中毕业,成绩优异的方忠被保送到华中理工大学这所被称为“湖北乃至华中最好的大学”。为什么选择物理专业?方忠说,“就是对物理感兴趣。当时学校的物理系刚刚成立,在工科大学里物理系并不太被看好。我就觉得,了解研究神奇的物理世界会很有意思,于是就选了物理系。”

进入大学后,方忠如鱼得水,他对物理的兴趣被极大地激发出来,学习成绩一直名列前茅。大学毕业之后,他顺利地被保送本校的“硕博连读”,并且幸运地遇到了他的导师姚凯伦教授。姚教授是改革开放后的第一批“海归”,有很好的教育背景、国际视野和学术水准。在导师姚教授的指导下,方忠选定从事凝聚态理论方面的研究工作,真正开始了对美妙物理世界的探索。

出国深造  始终坚信祖国才是归宿

方忠做博士后时,恰逢一股“出国潮”滚滚而来,大家都想出去看看外面的世界。而当时国内在基础物理研究方面远远落后于国外先进国家水平。“我当时在国内能看到的资料,都是国外几年前发表的论文资料。”方忠和许多知识分子一样,渴望出国继续深造,接触更先进的理念和技术,而他最感兴趣的是如何用超级电子计算机解决物理问题。

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方忠和他的外尔费米子发现团队成员合影

当时中国的计算机刚刚起步,而美欧、日本等一些先进国家已经进入了超级计算机时代。到哪儿去深造?经过多方了解和比较,方忠选择了在计算物理领域非常有名望的日本资深教授寺仓清之研究组,这是一位早年留学于英国剑桥大学的著名学者。不久,方忠收到了日本老教授的回信,同意接受他的申请。为什么会选中方忠这样一个来自中国的普通博士毕业生?“老教授给我的回信写了三条理由。一是因为我‘非常年轻’;二是看到我‘非常努力’;三是从我已发表论文来看,‘思想非常活跃’。但条件是来的前半年只有一半的工资。”

在日本,方忠第一次接触到了大规模超级计算机,他只能从头开始学起。那段时间,他比之前任何时候都更加勤奋刻苦,经常熬夜工作,没日没夜地在大型超级计算机上编程、调试,很少在晚上12点之前睡过觉。“因为我本身不是学这个方向的,我需要在短期内掌握相关技能,我不比别人聪明,只能比别人付出更多的时间。”

正是因为方忠把全部时间都投入到科研工作中,他竭尽全力地付出使他很快跟上了团队的节奏,也得到了导师的认可,去日本一个月之后,导师就把方忠的工资调到了全额水平。

从1996年到2003年,方忠一直在日本做学习研究,期间去美国橡树岭国家实验室合作研究了约一年。“在日本深造将近八年的时间里,我学到了很多很多,除了科研能力大幅提高外,还学到了严谨的科学态度,一个优秀科学家应有的品质,如何营造良好的科研环境等等,这对我后来从事科研产生了至关重要的影响。”

“国外的经历,使我不仅养成了良好的科研习惯和思路,而且发表了很多凝聚态理论及材料计算方面的高质量论文。科学无国界,但科学家有国界。”方忠说,作为中国的科研人员,我始终坚信,祖国才是自己的归宿,把在国外得到的先进经验、科研思路带回国内,为中国科研贡献自己的力量。

虽然在国外有良好的科研环境和优越的生活条件,但国内蒸蒸日上的发展形势和对科技人才的渴望,还是让方忠决定回国发展。2003年,在妻子的支持下,他和妻子带着年幼的孩子一起回到祖国。

刻苦攻关  让中国站在国际前沿

“当时,国内的科研水平还比较落后,急需大批科研人才。这正是我用自己在国外学到的知识和能力,为祖国服务的时候。尽管当时国内正值‘非典’肆虐,但我还是觉得应该尽快回来。”方忠回忆说。

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方忠和他的学生讨论问题

2003年,方忠入选中国科学院“百人计划”并获择优支持,回国在中科院物理研究所工作,主要从事于计算凝聚态物理方面的研究。“中科院物理研究所成立于1928年,有优秀的文化传统和良好的科研环境,也涌现出了一大批很有成就的科学家。”方忠说,能加入这样的集体,感到非常荣幸。

2004年,方忠负责组建中科院物理研究所量子模拟科学中心,组建了一支强有力的计算队伍。从铁基超导到拓扑绝缘体,从量子反常霍尔效应到拓扑外尔半金属,方忠领导的科研团队在凝聚态理论与计算方面取得了不少具有重要国际影响的成果。这些基础研究领域的重大成果多次被国家领导人在重要的讲话中提及,为国家争得了极高的荣誉。团队被评为基金委“创新研究群体”,并连续三次获得延续资助。团队成员中有多人已获得了国家杰出青年科学基金,方忠也成为一位优秀的学科带头人。

2008年,方忠团队在铁基高温超导材料计算研究方面取得了重大进展,与中国高温超导研究的奠基人之一赵忠贤院士领衔的科研团队一起荣获了2013年度国家自然科学一等奖,结束了这一奖项连续三年空缺的遗憾。国际知名科学刊物Science刊发专题评述中称:“新超导体将中国物理学家推到最前沿”。对于铁基高温超导材料取得突破性进展的意义,方忠说:“超过40K高温超导是用现有理论难以解释的现象,原先只发现铜基超导体一类高温超导材料。现在新一类铁基高温超导体的发现,使我们能更深入地了解高温超导现象的内在机理。另外,相对于陶瓷性的铜基材料,铁基高温超导体因其更好的加工性而具有更广阔的实用前景。”

2009年,方忠与合作者一起提出的Bi2Se3族拓扑绝缘体材料,被自然杂志的报道誉为“未来实验研究最有前途的材料”、“是拓扑绝缘体材料探索的顶峰”。这项研究成果获得了“2011年中科院杰出科技成就奖”及“2011年求是杰出科技成就集体奖”。

2010年,方忠带领团队预言了可以实现“量子反常霍尔效应”的最佳材料体系和实验方案,该预言于2013年得到实验证实,在美国《科学》杂志上公诸于众后,引起很大反响,并被物理学家杨振宁称为具备“诺贝尔奖级别”。

2015年初,他带领科研团队成功预言、制备、观测到全世界科学家苦苦寻觅了80多年的“外尔费米子”,该项成果入选英国物理学会主办的《物理世界》“2015年十大突破”,美国物理学会2015年物理学“标志性进展”,以及“2015年中国科学十大进展”。

有评论认为,铁基超导体、量子反常霍尔效应、“外尔费米子”等研究不仅直接推动了学科发展,加深了人类对自然规律的认识,而且还带来了对未来技术突破与革新的希望,在某种程度上也预示着人类在信息时代中又可以向前迈进一大步。

方忠的研究成果被公认为国际上凝聚态物理研究领域为数不多的理论指导实验的典型范例,他本人也被公认为国际著名的凝聚态与计算物理学家。在他的带领下,我国在凝聚态物理前沿领域的研究迅速发展,并站在了国际前沿。

方忠因其杰出的贡献获得一系列荣誉:2008年获国际理论物理中心(意大利)的ICTP奖、2011年当选为美国物理学会会士(APS Fellow),2012年获全球华人物理学会的亚洲成就奖,2013年获周培源物理奖,2014年获周光召基础科学奖,2016年获首届“全国杰出科技人才”奖等。

美食家“味觉”  物理研究需要很好的感觉

多年的科研、多年的坚持、多年的付出、多年的收获,方忠的体会和感受多多。他认为,基础理论研究相比于应用研究,不可能立竿见影得到及时的回报或者丰厚的利益,“很多东西在研究初期毫无意义,最关键的是一定要有把事情弄明白的恒心,一旦成功理解它,必然是巨大的进步。”

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方忠和其他获奖者在2015年央视科技盛典上

他以外尔费米子研究为例,“整个过程至少有长达三四年的时间里,我与团队成员尝试过成百上千种材料。‘放弃’这个词从来没有在我的脑海中出现过。”方忠认为,追求真知是一种最基本的原动力,不为名利,而是凭着对科学的兴趣与热爱,一定要把事情追究清楚,只有这样,才能坚持下来。这也是人类探索自然规律需要的基本精神。

“成为一个科学家,就像是一个美食家一样。”方忠如此比喻科学家最重要的科研品质。他认为,作为一个科学家仅有对科学的兴趣与热爱是远远不够的。科学家要有像美食家一样的“味觉”,能准确判断出什么是重要的科研问题,什么是重要的科研工作,什么是有意义的试验研究。对人类有益,面向世界科技前沿,面向国家重大需求,面向国民经济主战场,才是真正的重要意义。

“物理做到一定程度要上升到美学,物理学内容丰富多彩,规律极其美妙。年轻的时候,总是想解决一个具体问题,发表一篇好的文章。而随着年龄的增长、经验的积累,会更希望能提出好的问题。”方忠说,数学更注重逻辑推导,物理更注重阐明物质的道理,这就要求明确什么是最重要的科学问题,是最核心需要解决的问题。首先是如何提出一个好的物理问题,接下来是如何解决这个问题。“物理学发展到今天,最重要的是如何提出一个好的物理问题。”

方忠认为,要成为一个科学大家,不仅能解决问题,而是要能提出问题。所以他说:“科学家要有美食家一样‘味觉’。”美食家最重要的是他的味觉,对于一盘菜,不同的人有不同的说法,美食家可以判断这一盘菜好在哪里,为什么吸引人。“这一点对于物理学家也非常重要。同样一个物理现象,找出它的本质,才能有好的成果出来。如果没有这种好的判断力,就不会做出好的研究成果来。”

而如何培养这种“味觉”?“这是长期的积累,也是科研的一种‘火候’,没到时间难以看到成果。”方忠对他的学生说,“味觉”不是一下子就能提高起来,需要日积月累,这是一个循序渐进的过程,但同时也需要灵感和创造。“导师之所以是导师,正是因为能够判断,用自己的‘味觉’引导学生找到合适的科研道路,少走不必要的弯路,并且慢慢培养学生独立的‘味觉’。”

方忠

1970年生于湖北,现任中国科学院物理研究所副所长、量子模拟科学中心主任、研究员、博士生导师。1991年获华中理工大学学士学位,1996年获华中理工大学博士学位。1996年—2003年,访问日本工业技术研究院、美国橡树岭国家实验室。2003年任中国科学院物理研究所研究员,2005年任中科院物理研究所量子模拟科学中心主任,2008年—2012年任中科院物理研究所所长助理,2012年任中科院物理研究所副所长。先后荣获国家杰出青年科学基金、百千万人才工程国家级人选、茅以升北京青年科技奖、国际理论物理中心ICTP奖、亚太物理学会联合会C. N. Yang奖、中国科学院杰出科技成就奖、求是杰出科技成就集体奖、全球华人物理学会亚洲成就奖、国家自然科学一等奖、周培源物理奖、周光召基础科学奖等。2016年6月,获首届“全国杰出科技人才”奖。

外尔费米子

科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类,费米子是组成物质的基本粒子。外尔费米子是德国科学家威尔曼·外尔在1929年预言的。他提出,无“质量”(即线性色散)费米子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”,这种无质量的手性费米子被命名为“外尔费米子”。不过,科学家们始终没有在实验中观测到这种粒子。直到2015年初,方忠带领科研团队成功在一类晶体材料中预言、制备、观测到“外尔费米子”,使得“外尔费米子”第一次展现在科学家面前。

科学家们认为,具有外尔费米子特性的拓扑半金属能实现低能耗电子传输,有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题。同时这种外尔费米子也受到拓扑性质的保护,可以用来实现高容错的拓扑量子计算。

(2017.03.01 第05期)