低温物理世界的“追梦者”——访复旦大学李世燕研究员、北京大学王健研究员
2015年4月13日

    日前,在第十四届全国低温物理学术研讨会的开幕式上,复旦大学李世燕研究员和北京大学王健研究员因在低温物理学研究领域取得的突破性研究成果,获得了2015马丁•伍德爵士中国物理科学奖。

    对于此次获奖,李世燕和王健均表示很荣幸能够获得这个奖项,目前国内低温物理研究领域优秀的年轻学者非常多,能够获得这个奖项并不代表自己是最优秀的。同时,他们也为我国低温物理学研究水平与欧美国家的差距越来越小,并逐步走到世界前列感到骄傲和高兴。

    他们对于我国低温物理学的发展、低温设备的技术发展、科学家与仪器厂商之间的合作,以及低温物理学研究的热点和实际应用都有怎样的见解和看法呢?会议期间,仪器信息网编辑特别采访了两位老师,并将他们的精彩观点整理成章,以飨读者。

北京大学王健研究员(左)、复旦大学李世燕研究员(右)

  低温设备技术发展助力低温物理学研究

  Instrument:首先,请您们结合自身的经历谈谈近年来我国低温物理学的发展情况?

  李世燕:2002年我在中国科学技术大学陈仙辉教授的指导下完成了博士阶段的学习,当时在国内我们基本没有见过极低温设备,只有中科大和物理所有两台非常庞大的稀释制冷机。后来我到加拿大多伦多大学Louis Taillefer教授的实验室做博士后,接触到两台新型稀释制冷机,研究的低温环境一下子从2K直接降到了mK级别,看到了许多以前从未看到过的本征物理现象,立刻觉得整个物理世界都不一样了。

  2007年我回国加入复旦大学,当时获得了400万元的启动经费,我就采购了一台新型稀释制冷机。这个时候国内小型易用的新型稀释制冷机仍然比较少,全国也就两三台。之后随着国家对基础科学研究投入的加大,而且低温物理研究的内容也很丰富,逐渐有越来越多的研究组开始采购极低温设备,并做出了优秀的成果。

  王健:2001年到2006年我在中科院物理所师从薛其坤院士完成硕士、博士阶段的学习,当时主要做超高真空系统,也涉及一些低温研究。但当时稀释制冷机的确非常少,我们接触的低温也就是液氦温度或是再稍微低一点的温度。2006年到2010年,我在美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心和物理系做博士后,师从国际低温物理专家Moses Chan院士,开始接触稀释制冷机,做纳米超导方面的研究。

  2011年我回到北大,以前国内做极低温物理研究的人特别少,但在我回来的这几年里,仅北大就有好几个研究组采购了极低温设备做这方面的研究,而且国内涌现出了许多国际一流的研究成果。

  Instrument:请问近年来,低温设备的技术发展有哪些趋势?技术的发展对于科学研究有着怎样的影响和帮助?

  李世燕:如今一些大的低温设备公司,如牛津仪器、Quantum Design,都能够提供非常好的低温磁场环境,稀释制冷机达到mK级的低温已经比较成熟。技术的主要发展方向是无液氦化和简单易用。

  以前的稀释制冷机外围设备包括管道、泵等等,操作特别复杂,我当年做博士后的时候,花了整整一年时间才完全掌握如何使用。而现在的新型稀释制冷机,一个学生基本花半年时间就能很好地掌握。

  还有过去测比热,大家觉得这是一个非常专门的测量手段,尤其是极低温下的比热,往往需要一个拥有10年到20年比热测量经验的人,才能获取准确的测量结果。但现在就拿Quantum Design PPMS系统的比热测量选件来说,它的最低测量温度可以达到50mK,而且非常好用,学生只要简单学习就能将极低温下的比热测好,这非常不容易。

  王健:无液氦化是一个发展方向,以前大家觉得无液氦化很难达到,但现在已经成为了一种通用技术,而且仪器价格较之前有了大幅的下降,我相信以后低温设备的价格会更低,因此低温物理的研究队伍也会更加壮大。

  商品化科学仪器的简单易用对于我们的科研起到了极大的促进作用。让一个新手能够很快的掌握测量技术,使大家有更多的精力和注意力集中在科学问题上,而不是技术手段上,这是对科学方面生产力的释放。

  Instrument:对于和仪器公司合作开发低温设备的新功能,您们有什么看法?

  王健:其实科学家和仪器公司的交流是非常密切的,如果我们在具体的实验上遇到需要改进仪器来实现一定功能,此时和一些有能力的仪器公司建立良好的合作非常重要。科学家根据实际研究需要提出设想,然后与仪器公司一起开发新功能,我觉得这会是今后的一个趋势。

  实际上日本在这方面的合作就已经做的很好,Quantum Design的PPMS系统中采用的高压腔选件就是日本科学家与他们合作开发的。我觉得这是推动技术发展的一个很好的模式,如果有机会,我们希望能够和仪器公司合作拓展仪器的功能,让自己的实验手段更强大。

  低温物理学研究改变百姓生活

  Instrument:低温物理学研究目前有哪些热点研究方向?我国在该研究领域都有哪些创新性成果?

  王健:在低温条件下,由于减少了热等因素的干扰,更多本征的物理现象能够被观测到,这对于基础研究以及新材料的本征特性研究十分重要。低温物理涉及的领域特别广,实际上很多研究方向都需要用到低温物理。

  超导方面的探索就离不开低温,虽然我们希望能够实现室温超导,但首先得从低温超导开始,这也是全世界凝聚态物理研究人员最关注的一个方向。我们和薛其坤院士合作研究的二维极限下的界面增强超导,尤其是高温界面超导研究,就是当前极少数由中国人先做出来,外国人去跟进的研究方向。

  李世燕:另外,拓扑材料的物性研究也是低温物理最近比较热的一个研究方向,薛其坤院士发现的量子反常霍尔效应大概是最近几年拓扑新材料研究最重大的突破,要在30mK的温度下才能看到量子现象。

  我国在低温物理研究领域取得的创新性成果还有中科大的陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波教授课题组合作,成功制备出了基于具有能隙的二维黑磷单晶场效应晶体管。可以看出我国现在已经逐渐在一两个点上引领低温物理的研究趋势,如果有越来越多这样的点,我们的研究水平就会有很大的提升。

  王健:对于我国低温物理研究的发展,我还是比较乐观的,目前像北大、复旦、清华还有南京大学、中科大,上海交大、浙江大学等许多学校在低温物理研究领域做得是越来越好,如果我国的科研政策持续不变,大家一起努力,我想十年以后,在低温物理这个研究方向我们赶超发达国家是没有问题的。

  Instrument:低温物理的研究成果在生活中会有哪些实际应用?

  李世燕:低温下的物理现象更明显,更容易表现出来,我们在低温下发现新的物性,一些在实际应用中只要能提供低温环境,就能够实现很好的应用,其中最典型的应用就是医院里核磁共振超导磁体。

  另外我们可以在低温下发现物性,然后再通过研究使得它能够在室温或者高温下表现出同样的性能。比如巨磁阻效应,最初是在低温下发现的,后来发现改进材料后,在室温下也有明显的效应,人们因此研究出了基于巨磁阻效应的读出磁头,引发了硬盘的“大容量、小型化”革命,到目前为止,巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。这是一个很典型的低温物理研究成果最终应用到大家生活中的例子。巨磁阻效应的发现者也因此获得了2007年的诺贝尔物理学奖。

  王健:其实目前高温超导也得到了一定的实际应用,比如甘肃白银的超导变电站,采用了高温超导限流器、高温超导储能系统、高温超导变压器和高温超导电缆等多种超导电力装置,能有效降低系统损耗。高温超导技术也被日本和美国等国家考虑作为城市储能系统的一种方案。

  还有现在大家研究的拓扑材料,由于它的低耗散性,还有它的一些自旋特性和磁性相关联,因而可以实现一些特殊性能。如我们现在做的拓扑半金属Cd3As2体系载流子迁移率非常高,也许有一天这个体系可以用到高速器件上。另外,如果能实现拓扑超导,就可以用于量子计算,它要比现在所说的量子计算机更进一步,叫做拓扑量子计算机。

  实际上低温物理的研究应用已经走入了老百姓的日常生活当中,只是还没有像半导体一样让整个社会都发生变化。如果有一天我们能够实现室温超导,那样整个人类社会将会从信息时代进入超导时代,因为它无能耗,而且能实现许多量子态,将会是非常好的工具,比如现在最可行的一种量子计算就是用超导的约瑟夫森结实现的。所以一旦实现室温超导,带来的变化将不可估量。

  后记

  近年来,我国低温物理学研究取得了快速的发展,这不仅仅是由于国家对于基础科研投入的持续加大,更重要的是老一辈科研人员不懈的努力,以及许多像李世燕、王健这样优秀的年轻学者,他们对于低温物理的研究充满热情,对于我国低温物理研究的未来满怀希望,努力在自己的研究领域做出了国际一流的研究成果,脚踏实地的践行着科技强国的梦想。

  但有一件事情让他们感到遗憾。李世燕说:“我们现在所用的设备绝大部分都是从国外进口的,这是我一直觉得比较遗憾的地方。”王健说:“其实低温设备的技术含量也没有那么高,希望今后有国产仪器厂商能够提供相应的设备,只要国产设备测量结果可靠,能够获得国际认可,我们会非常乐意选择使用国产仪器的。”

  让我们期待,在不久的将来,我们能够在低温物理研究领域赶超发达国家,同时我们也能拥有性能优异的国产低温设备,助力科学家们做出更多国际一流的研究成果。

  采访编辑:秦丽娟

媒体报道:仪器信息网

低温物理世界的“追梦者”——访复旦大学李世燕研究员、北京大学王健研究员