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张金松:“掘金”量子物理

来源:科技日报 2013-12-18 贾婧

  ■ 人物档案:张金松,清华大学物理系2008级博士生。所在团队通过四年的不懈努力,在实验上首次实现了量子反常霍尔效应,相关成果以共同第一作者身份发表在《科学》杂志上,被杨振宁先生称为第一次在中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。曾任物理系研究生会学术副主席,获清华大学“学术新秀”、博士研究生学术新人奖等荣誉。2013年7月被评为清华大学优秀共产党员。2013年8月荣获第八届中国青少年科技创新奖。

  坐在清华大学万人食堂的咖啡厅里,张金松和来这里学习交谈的学生们看似差别不大,瘦小的他,一身休闲装扮,学生气的金丝眼镜搭配略显羞涩,“学术牛人”就掩盖在这样低调的外在之下,这样的他一不留神就会淹没在校园无数个求学的身影当中。张金松坦言,他险些就成了碌碌人群中的一员,左右命运的,除了那么一点点机遇之外,还有他一直坚守着的一句话——“坚持是一种精神,挑战是一种信仰。”

  当张金松以第一作者的身份在美国《科学》杂志上发表了量子反常霍尔效应的实验成果,被杨振宁称赞为“中国实验室里发表的第一次诺贝尔奖级的物理学论文”、被评为清华大学“学术新秀”、荣获第八届中国青少年科技创新奖时,他刚满28岁。

  这一次,张金松终于让杨振宁认识了当初茫茫众生中,那个闷头听他讲《普通物理》课的小伙子。

  “小直觉”结缘物理学

  “动手”是张金松的强项,也许是来自于木工父亲的遗传,小时候的他像很多男孩子一样爱“搞破坏”。家里的小物件他都会拆开来,好奇地看看里面到底是什么。他的手很巧,拿张纸,不一会儿就能折出小汽车和小飞机,有时候他也会买些零件,沉浸在自己组装的快乐当中,这样的优势一直伴随他进入到了后来的学习中,本科时期他的学科成绩虽然不是班中的佼佼者,但做起物理实验却得心应手,他把这称为对物理的一点“小直觉”。

  为什么选择学物理,张金松似乎从未像现在这样需要如此频繁地思考和面对这个问题,但是实际情况就是,2004年考大学报志愿时,小学未毕业的父母并不能给他任何意见,张金松独自一人坐在家中,拿着清华大学的招生简章逐行读给自己听,最后选择了这个自己擅长的学科,懵懂中,他踏入了物理学科的高级殿堂。

9年前的张金松作为一名物理系大一新生,坐在清华六教教室里听杨振宁先生讲《普通物理》时,还在问同学:“杨振宁是谁?”

  虽然高考时选择专业有点“稀里糊涂”,但在高手如云的清华大学,他却丝毫不敢松懈。大学四年,所有的周末时间都是在自习室里度过的他,恐怕要让很多的大学生惊叹了。

  “你不谈恋爱吗?不打游戏吗?没有业余爱好吗?”面对记者的疑问,他的回答很简单:“比起这些,我更喜欢学习。”带着农村孩子对家庭的责任感和一丝高中时期优等生的小骄傲,张金松不能接受大一第一学期结束时,班级排名第20的现实。四年,近乎苛刻地自我要求,使他在毕业时在班级排名前进到了第6名。

也许成功者从来都是孤独的,本科四年的自习生涯,他从来都是来去一人,“坚持”如同一种信仰始终伴随着他。

  “不服气”走上科研路

  “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。而与多数基础科学专业一样,物理专业毕业后很难让他找到一份报酬丰厚的工作。”有这种想法时,张金松刚上大学二年级,看着周围其他专业陆续出现到大公司拿高薪的师哥师姐和生活拮据的爹妈,他动摇了。

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,指导老师连自己的名字都没记住。

  失落感让张金松意识到,物理才是自己的专长和感情所在。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?”

  当他的心向物理学靠近时,幸运之神也选择了这个不服输的少年,王亚愚老师回国了,并准备在清华物理系组建新的实验室。在美国期间,王亚愚由于在高温超导领域的杰出工作,被授予凝聚态物理青年物理学家的最高奖项。

  这一次,张金松没有犹豫,拜在了王亚愚门下。

  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,急于回国参加科研项目的张金松,提前7天回国。回国之后,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,王亚愚教授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,终于开始了自己的科研之路。

  “沉下心”享受美妙处

  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,张金松和团队成员一起,发起总攻。为了寻找和验证这一效应,他和团队整整花了4年时间,测量了1000多个样品,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。对张金松来说,这可谓正中下怀。动手能力强,是他在童年时就展现出来的特点。

  张金松对物理的那点“小直觉”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7、8个样品再去镀膜,而每个样品的平均测量周期都要2天左右。两个月后,张金松受不了了:“这也太慢了!”

  张金松借鉴了别人用金属铟做电极的方法。为此,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的圆珠大小的微粒。一番捣鼓之后,终于成功。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,觉得用样品加工得再漂亮,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的得出最后的成果。”

  “有时候就是这样,为了一个突破,要花很长的时间。”他说,在这种枯燥的研究中,张金松也在享受着物理带给他的美妙。“你能不能想象在一个特殊的材料里,里面的电子就像高速公路的汽车一样沿着特定车道行驶,而不是像普通材料里的电子那样杂乱无章。这样如果应用到电脑或者手机里,那运行应该会更快,产热也会非常少。”

  测量中,同伴们经常能看到这样一幕,张金松经常贴在显微镜前,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,张金松就屏住呼吸小心翼翼,“呼吸动作一大,气流就把材料吹跑了。”

  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,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。”

  “迎挑战”不做跟随者

  “她最为美妙的地方主要有两点,第一,处于量子反常霍尔效应的电子与普通材料中的电子相比,就好像是在高速公路上行驶的汽车一样,互不干扰,高速运行;第二,量子反常霍尔效应的材料本身就是一个铁磁体,因此不需要任何外加强磁场,就可以让电子在高速公路上行驶,为这个应用带来了广阔的前景。这意味着,量子反常霍尔效应如果能够在我们的日常生活中得到应用,将很有可能开启新一轮的科技革命。”谈到量子反常霍尔效应,他就像在谈论自己的爱人一样语调温柔。

  然而,他与量子反常霍尔效应的这一段“感情路”却坎坷遍布,包括物理在内的基础科学研究,往往无法预期能获得科研成果。“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,一天之内就完成一个循环。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,团队带头人薛其坤说:“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、成长很多。”

  随后不久,同学的一次偶然对比试验,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。8月22日,站在中国青少年科技创新奖的发言台上,张金松发表获奖感言:“做科学研究必须持之以恒,学会面对失败,不轻言放弃!”

  “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,是张金松人生中的重要一步。

  即将博士毕业的张金松,已经联系好了下一站——斯坦福大学。张金松说:“在量子反常霍尔效应这个实验上,我做的工作不是不可取代的,我的导师可以,师弟师妹也可以。”渴望独立创新工作的他希望通过更多的项目来证实自己,“在一个项目上取得成绩,可能会有些运气因素。但如果在很多的项目上都取得成绩,那就真正说明了你的能力。”

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-12-18 15:54:02]
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