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从“科研小白”到“学术牛人”

——记第八届中国青少年科技创新奖获得者、清华大学物理系博士生张金松

来源:中国教育报 2013-9-18 高毅哲

  在大学物理专业的课堂上坐了一段时间后,张金松开始有点后悔。

  那是2004年,19岁的张金松正在清华大学物理学专业就读。他的动摇来自于物理专业的就业前景。家在天津农村的张金松,父母务农,家里还有两个姐姐,生活并不富裕,他急于减轻家庭负担。然而,与多数基础科学专业一样,物理专业毕业后很难找到一份报酬丰厚的工作。

  那时的张金松还想不到,8年后,他所在的科研团队在世界上首次发现量子反常霍尔效应,著名物理学家杨振宁评价其为“诺贝尔物理学奖级别的成就”。而他个人,则从对科学研究一无所知的“科研小白”,到荣获第八届中国青少年科技创新奖,成为同学们眼中的“学术牛人”。

两次不服气,走上科研道路

  在朋友眼中,张金松是个幽默的人。即便已在物理学领域崭露头角,他依然对自己的专业幽了一默:“当初选物理,那是‘误上贼船,想下就难’了,只能硬着头皮走到底。”

  考大学时选择物理,是因为高中时物理成绩不错,而对大学物理要学什么、研究什么,张金松一无所知。上了一段时间的课,加上和同学们的交流,他才渐渐发现“这个专业并不教授专门的职业技能,将来要么转学其他方向,要么在科学研究上一直走下去”。

  不断有师兄师姐的故事传到他们耳朵里:谁换到了哪个专业,毕业去了哪家公司,待遇优厚。对这些年轻人来说,当很多现实问题摆在眼前时,很少有人能避免内心的波动。

  张金松也不例外。大三的暑假小学期,有意在读研时换专业的张金松报名参加了自动化专业的一个实习项目。自动化是清华的王牌专业,就业一直强劲。然而在实习临近结束时,张金松发现,指导教师连自己的名字都没记住。

  失落感让张金松意识到,自己对物理的感情“还是很深的”。大学三年下来,张金松成绩一直名列前茅,顺利获得直博资格。就这么换专业?张金松第一次有了不服气的念头:“物理学了那么多年,就那么放弃,对得起自己吗?”

  张金松选择了物理系的年轻教授王亚愚作为导师。之所以选择王亚愚,是因为张金松觉得如果想在科研上做出点成绩,跟着刚刚回国的年轻导师“很有希望”。在美国期间,由于在高温超导领域的杰出工作,王亚愚曾被授予凝聚态物理青年物理学家的最高奖项。

  直博二年级时,张金松到美国布鲁克海文国家实验室进行了为期一年的交流学习。然而,美国导师对张金松并不重视,只是安排他做一些打杂之事。长时间的“悠闲”,让一心想搞科研的张金松憋得发慌,美国导师的轻视,又一次激发了他心中的不服气:“回国之后,一定要在科研上搞点名堂出来!”

  2010年秋天,急于回国参加科研项目的张金松,终于熬到了交流期满。那时,薛其坤院士领衔的研究团队已经投入量子反常霍尔效应的实验研究,王亚愚在其中担任重要的输运测量工作。张金松没有休整,立刻加入团队,终于踏上了自己的科研之路。

突发奇想,效率提高7倍

  1879年,美国物理学家霍尔发现了霍尔效应和反常霍尔效应。随着量子物理的发展,在实验中观测到量子反常霍尔效应成为全世界科学家梦寐以求的目标。这一次,张金松将和团队成员一起,向其发起冲击。

  按照分工,张金松承担了对实验材料的输运性质进行精密测量的工作,这对动手能力强的张金松来说可谓正中下怀。

  小时候,张金松常去捕鱼、抓蚂蚱。看到别人有好用的工具,他就想方设法找来材料照着做,往往还能加以改良。读本科时,在电子实习与金工实习中,他始终名列前茅。

  这种能力很快在实验中得以发挥。按照流程,在测量之前,样品要先进行复杂的电极镀膜,为了省钱,项目组总要攒够七八个样品再去镀膜,而每个样品的平均测量周期都要两天左右。两个月后,张金松受不了了:“这也太慢了!”

  张金松想到曾经有人用金属铟做电极,决定尝试一下。他把一整块铟像切土豆一样,先切条再切块,最后切成只有圆珠笔尖大小的微粒。一番捣鼓之后,张金松终于成功了。实验室的测量效率为之大幅提高,从以前的每周发送一次测量数据变为了每天都能发送一次测量数据。张金松说:“我是一个非常务实的人,觉得样品加工得再漂亮,不够快也是不好的。如果按照以前的效率,我们肯定不会这么快得出最后的成果。”

  测量中,张金松表现出的认真负责尤为同伴佩服。那时,他经常贴在显微镜前,用牙签把6粒铟粒准确嵌到只有几平方毫米大小的材料上。每每这时,张金松就屏住呼吸,“呼吸动作一大,气流就把材料吹跑了。”

  那两年,张金松每天从早上九点干到晚上九十点,工作时间12小时以上,周末更是因为“比较清静”,是做实验的最佳时间。张金松后来统计,他在整个项目上花费了至少1万个小时。

  在团队成员的共同努力下,历经4年,2012年10月15日,量子反常霍尔效应的表现数据终于出现在仪器上。2013年3月15日,相关论文在美国《科学》杂志在线发表,张金松为4名共同第一作者之一。4月10日,杨振宁评价:“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”

学会面对失败

  论文发表之后,各类荣誉接连而至。然而在张金松看来,最大的收获是他终于走出了对科研的迷茫,面对以后的科研道路,开始有了沉稳的心态。

  包括物理在内的基础科学研究,往往无法预期是否能获得科研成果。“那时的迷茫,主要来自对未来的不确定。你并不知道花费那么多时间,最后能不能得到想要的结果。”张金松说。实验中,曾有长达7个月的时间,大家每天制作材料、进行测量,一天就完成一个循环。然而,材料一个个淘汰,实验却没有取得任何进展。

  所有能想到的问题都已想到,所有能尝试的方法都已尝试,几乎所有的学生都觉得不可能再干下去了。张金松说,那时大家甚至开始怀疑,量子反常霍尔效应是否真的可以被实验发现?

  关键时刻,团队带头人薛其坤院士告诉大家:“我们现在从事的实验工作是非常重要的,你们有可能发现从没有人看到过的东西。要是看到了,这一辈子都值了;要是看不到,你们也能从中历练、成长。”

  随后不久,因为一名团队成员的偶然对比试验,发现样品表面在不覆盖任何保护层时,量子反常霍尔效应变得更加明显。从此,实验取得重大突破。这段经历,让张金松获益匪浅。今年8月22日,站在中国青少年科技创新奖的发言台上,张金松感言:“做科学研究必须持之以恒,学会面对失败,不轻言放弃!”

  现在,在张金松眼里,科研如挖矿。“你一直朝着巨大的宝藏挖掘,最后你可能没有挖到它,但这一路上,你可能收获了很多精美的小石头,这就是科研的魅力。”张金松说。

  他已经拥有了自己的“小石头”。就在量子反常霍尔效应论文发表的3月,张金松的另一篇论文也在《科学》杂志发表。这篇论文的源起,正是他在研究量子反常霍尔效应的实验中,发现的另外一个重要的科学现象。

  “刚开始做科研的时候,导师让我干什么,我就干什么。现在,我们更倾向于主动提出想法,主动开拓思路,共同解决科研问题。从被动科研转变成主动科研,是我人生中的重要一步。”张金松笑着说。

  即将博士毕业的张金松,已经联系好了下一站——美国斯坦福大学。他将在那里度过两年博士后的时光。“在一个项目上取得成绩,还有些运气因素。但如果在更多项目上都取得成绩,那就真正说明了你的能力。这就是我在斯坦福大学的目标。”张金松说。

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-09-18 14:11:50]
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