丁洪：追捕“幽靈粒子”的夢想家

本刊記者　王　輝

丁洪：追捕“幽靈粒子”的夢想家

本刊記者王輝

專家簡介：

丁洪，現為中國科學院物理研究所研究員，北京凝聚態物理國家實驗室首席科學家。1990年畢業于上海交通大學，1995年獲美國University of Illinois at Chicago的物理博士學位。1995年至1998年在美國Argonne國家實驗室作博士后。1998年至2008年在美國Boston College大學物理系歷任助理教授、副教授、正教授。2008年全職加入物理所并入選首批國家“千人計劃”。主要研究方向為用角分辨光電子能譜研究高溫超導體和新奇量子材料的電子結構和電子激發性質。在銅基超導體中贗能隙的發現、鐵基超導體s-波序參量的確定和外爾費米子的發現等重大物理問題有開創性的貢獻。

47歲的丁洪坐在我們面前，一頭烏黑的頭發里面已經明顯摻雜了星星點點的銀絲。這些早生的白發記載了他歸國七年來的辛苦和操勞。

“丁老師非常敬業，經常凌晨12點了，還在回復我們的郵件，和我們討論學術問題。”

“老丁這個人，只要實驗裝置一開始運轉，幾天幾夜呆在實驗室里不出來，那都是家常便飯！”

他的同事和學生們如是說。

丁洪卻極少會提及他在科研工作中的艱辛和困難，在他看來，作為一名科學家，遇到些困難都是科研道路上極為正常的事。相反，他總在感慨自己科研之路到目前為止都很順利，即便是他在高溫超導體研究方面以及不久前發現“外爾費米子”的存在這種國際性物理問題上取得了重大突破，也被他歸結于自己的“運氣不錯”。

然而在他這一句云淡風輕的“好運氣”背后，卻藏著多少不為人知的工作量和各種辛苦。

丁洪很健談，思維很跳躍。他和我們談起他的“三個夢想”；談起他“放養”的學生們又取得了哪些突破；談起作為實驗學家，他和那些理論學家們的對話；談起他年輕時敢于向學術權威發起挑戰；談起他的各種國際化的跨界合作……

最終話題還是不可避免地回到了不久之前國際上眾多科研機構為發現有“幽靈粒子”之稱的外爾費米子而展開的那場激烈的科研競賽。最終，中科院物理所的團隊從理論預言、材料生長到實驗觀測都是獨立和同時完成，而丁洪正是“捕捉”到“幽靈粒子”的那個人。時至今日，他依然難掩興奮：“這是今年物理學的一個重大發現！具有里程碑的意義！”

捕捉“幽靈粒子”的國際競賽

“幽靈粒子”——聽上去就是一個充滿噱頭的名詞。而事實上，它確實也是讓眾多物理學研究者前仆后繼苦苦尋找的奇特物質。

時間倒溯回1928年，狄拉克提出描述相對論電子態的狄拉克方程。一年后，德國科學家外爾指出，狄拉克方程質量為零的解描述的是一對重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是“外爾費米子”。然而這預言中的粒子卻像幽靈一般足足困擾了科學家們80多年，他們始終無法在實驗中觀測到這種粒子。中微子曾經在很長時間內被認為是外爾費米子，但是后來因發現其質量不為零而放棄。

雖然在宇宙中尋找外爾費米子的基本粒子異常困難，但近年來拓撲材料的發現和快速發展使得外爾費米子作為固體材料中的“準粒子”成為了可能性。這種在“固體宇宙”中尋找外爾費米子的準粒子成為當今凝聚態物理最前沿的研究對象之一，也是世界各國物理學家競相追逐的目標。為了能夠找到它，全世界的科學家爭相創造可能存在外爾費米子的人工環境。

中科院物理所自然也沒有放松對于“幽靈粒子”的搜尋力度。早在兩年前，物理所的理論研究團隊就意識到TaAs家族材料體系可打破中心對稱的保護，實現兩種“手性”電子的分離。這一系列材料能自然合成，無需進行摻雜等細致繁復的調控，更利于實驗發現。去年底，他們將此理論預言在arXiv網站率先向全世界公開。該成果立即受到同行的注目，國際上眾多實驗小組都投入到了競賽般的實驗驗證工作中。

就在2015年的1月5日，中科院物理所的電子郵箱里收到了一封“戰書”，這封來自美國普林斯頓大學Hasan小組的信，明確告知他們也在進行類似的研究，同時也將自己的科研論文張貼到了arXiv網站上。這讓丁洪敏銳地嗅到了一股硝煙的味道，他意識到：捕捉“幽靈粒子”的國際競賽已經進入到白熱化階段了。

物理所團隊成員們都感覺到了這種競爭激烈的氣氛，每個人都開始夜以繼日的加快速度，與同行競賽，與時間競賽。物理所強大的團隊力量在此時發揮了作用，三個研究小組分別從理論、材料、實驗三個環節入手，團結協作，環環相扣。捕捉“幽靈粒子”就好像在進行一場戰役，有情報偵察、有后勤補給，也有前方沖鋒，“哪個環節出了問題，外爾費米子都不可能這么快地被成功發現。這是我們團隊精誠合作的結果，彰顯了中科院物理所的整體實力！”丁洪談到當時的經過，依然熱血沸騰。

丁洪的團隊負責的是實驗環節。這個小組的工作實際上是最辛苦的，因為要做同步輻射，一天24個小時都要工作，經常是通宵達旦。丁洪小組利用他們剛在上海光源建成的“夢之線”同步輻射X射線對TaAs晶體進行了精確地測量，從材料中激發出來的電子的能量和動量，就能反推出晶體材料的電子結構。他們在2014年10月取得了初步數據，并在2015年初取得了高質量的數據，第一次觀測到TaAs表面態存在費米弧。而只要觀測到費米弧，就能斷定外爾費米子的存在，即從實驗上“發現”了這種奇特的粒子！

2月16日，丁洪的實驗小組在物理學界知名的學術交流網站arXiv上，公開了費米弧的發現，宣布外爾費米子被發現，中國科學家領銜的團隊終于率先揭開了80多年來的世界之謎！而幾乎與此同時，美國普林斯頓大學教授哈桑的實驗小組也在arXiv網站上公開了類似的研究成果。

圍繞在外爾費米子身上長達86年的神秘面紗終于被揭下，雖然后來的“發現歸屬之爭”問題在外界引起了一場沸沸揚揚的風波，但是丁洪對此表現得非常超脫，在他看來，外爾費米子從突破性發現到實用性材料投入應用，仍有漫長的路程要走。尚待解答的許多問題，需要科學家們繼續投入相關領域的研究，這才是當下最應該關心的。

一聲召喚打起背包就回國

當初，丁洪是懷揣著夢想從美國回國的。他曾經不止一次的預言“未來的中國是一片能夠成就事業的熱土，也將是我的夢想開花結果的圣地。”事實證明，他的判斷是正確的。

1990年從上海交大畢業之后，丁洪就飛到大洋彼岸開始追逐自己的物理夢想。讀博士，做博士后，當助教、副教授，并且成為美國波士頓學院大學物理系的終身教授。18年的時間，一步一個腳印。無論是從語言表達，還是生活方式以及思維觀念上，丁洪都已經完全步入了美國節奏，除了胸腔里那一顆跳躍的中國心。

2007年11月，一個來自國內的越洋電話更加觸動了這顆思鄉之心。電話是中科院物理所打來的，明確邀請丁洪回國加盟。在這之前，丁洪也收到了香港大學的邀約，同時美國方面也開出了高薪條件來挽留他。他正處在一種抉擇之中。但是這響起的最后一個電話卻一下子敲碎了丁洪纏繞已久的糾結。當即和妻子商議：回國去！

丁洪是個行動派，從接受中科院物理所的聘書到辭去在美國的一切職務到舉家遷回國內，僅僅用了三個月的時間。由于丁洪在國際物理界的名氣，他的歸國也在中美物理學界一石激起千層浪，引起了不小的反響。他的此舉創造了兩個紀錄，一個是成為國家第一批入選“千人計劃”的海外引進人才，另一個是他成為美國物理界第一個辭去終身制正教授而回國的人。

有朋友對他的未來感到擔憂，認為他起碼應該為自己留條后路。但是丁洪對此不以為然，他覺得君子坦蕩蕩，既然決定要去做的事情，必然要全力以赴。他對國內科研事業的長期關注讓他做出的大膽預言：隨著經濟實力的提升，國家對于科技事業的重視，未來10到20年將會是中國科技發展的“黃金時期”。而他對于物理學所懷揣的夢想最大可能的圓夢地，那便是中國。丁洪對于自己的選擇充滿了信心！

馬不停蹄的鐵基高溫超導實驗

“我想做些更大的事情，為國家發揮更大的作用”，這是丁洪回國之際發出的心聲。話音未落，剛剛回到國內的他，馬不停蹄地就參與到了中科院物理所正如火如荼進行的鐵基高溫超導研究中。

超導指的是某些材料溫度降到臨界溫度以下，電阻突然消失為零的現象。作為20世紀最偉大的科學發現之一，超導體具有零電阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性，在科學研究、信息通訊、工業加工、能源存儲、交通運輸、生物醫學乃至航空航天等領域均有重大的應用前景，受到人們的廣泛關注，因此也成為21世紀的科研新寵。

丁洪之前也在美國研究了十幾年的高溫超導體——銅氧化合物。在2008年之前，超導體研究一直停留在銅氧化合物領域。這種材料易脆，作為輸電纜應用時延展性與柔韌性不夠好，在大范圍的普及應用上仍有一定困難。與銅氧化合物高溫超導體不同，一些鐵基超導體近似于合金，從制造工藝的角度更加容易，同時還能夠承受很大的電流，這就為廣泛的應用奠定了基礎。但同時不得不面對的是，鐵基超導體性質極為復雜，對科研人員的理論功底和實驗技能都提出了更高要求。

丁洪的強勢加盟，讓本已在鐵基超導材料研究領域處于國際領先水平的中科院物理所更加如虎添翼。丁洪的研究方向是超導的機理研究，他一回國就決定集中精力做好鐵基超導這種新型高溫超導體的實驗工作。就在他剛剛回到國內的第二天，實驗室的椅子還沒坐熱，在當天的會議上聽說有一個剛出爐的試驗樣品非常好，但當時的實驗設備還不齊全，他就馬上動用自己國際上的人脈，聯系到一家日本合作者的實驗室，幾天之內買了機票帶上樣品直飛日本。

此后在日本的8天時間里，丁洪只在旅館里住了兩個晚上，其他時間都泡在實驗室里，順利完成了實驗，首次發現了鐵基超導體中依賴費米面的無節點的超導能隙，并且還在一周內完成了一篇質量非常高并具有深遠影響力的論文，被國際同行認為是對鐵基超導體的s-波對稱性的建立具有奠基性意義的工作，算是打響了回國之后的第一炮。

超導機理以及全新超導體的探索是物理學界最重要的前沿問題之一，鐵基高溫超導體的發現是凝聚態物理的一個重大突破。對于中國科學家的這一工作，國際物理學界也予以了高度評價。那一年的歲末，榮譽接踵而來，中國的鐵基高溫超導研究被評為《科學》雜志“2008年度十大科學突破”、美國物理學會“2008年度物理學重大事件”以及歐洲物理學會的“2008年度最佳”。

在此后幾年內，丁洪小組又對鐵基超導體進行了更深入的研究，發表了50多篇文章，取得了一系列重要的研究成果，其中最突出的是用多個有說服力的實驗結果揭示了短程反鐵磁交換作用和相匹配的費米面是導致鐵基超導的根本原因。這已成為被越來越多人的共識。

三個夢想照亮未來

當下在年輕人中流行一句話：每天早起喚醒我的，不是鬧鐘，是夢想。丁洪的狀態也是如此。丁洪坦承：“我是一個特別愛造夢的人，愛追逐有挑戰性的事情做?！彼麨樽约涸O定了三個夢想。

由于多年的研究工作，丁洪接觸最多的是同步輻射光源，早在2005年的時候，他就在美國的一個研討會上提出建設一條分辨能力達到10萬的軟X射線光束線，但當時的參會人員紛紛表示這個想法不現實?？嘤诘貌坏街С?，丁洪的第一個夢想只得暫時擱置。而在回國后不久，在中科院的支持下，丁洪申請到了財政部重大科研裝備研制項目，著手在上海同步輻射光源上建一條分辨能力近10萬的光束線站，已經在去年的秋天完成了工藝驗收，這條線站能量分辨率的設計指標是目前國際最高水平的5倍，它在隨后進行的外爾費米子的發現中起了關鍵的作用。這便是丁洪的第一個夢想——Dream Line（夢之線）。

丁洪的第二個夢想是建設一個北京先進光源，也就是他所講的Dream Ring（夢之環），這將是世界上亮度最高的高能同步輻射光源。他在2009年初首次提出建設5-GeV高能儲存環的北京新光源，并大力推進立項工作。目前預研項目已獲得國家發改委的批準，預計將在“十三五”期間正式建設。這個世界上最先進的光源將為新材料、新能源、生態環保等國家重大戰略問題提供一個強有力的支撐平臺。

而丁洪的第三個夢想是Dream Center（夢中心），建設一個綜合性的國家科學中心。這將是一個以大科學裝置群為依托的多學科交叉的綜合研究平臺。目前，中科院和北京市已準備在北京懷柔區建設北京綜合研究中心。為了打造這一“科技航母”，丁洪一回國就積極參與了北京綜合研究中心的整體規劃。用他的話說：除了忙一些科研的本職工作之外，還“跨界”做了很多工作，這也是其中之一。為了期待提高中國整體的科研水準和科研氛圍，他親自參加了近百次相關研討會，為該中心的籌建起了至關重要的作用。

這三個夢想，有的已經播種，有的已經發芽，有的已經開花結果。丁洪表示：“在物理學方面，雖然我國的一些研究小組已經做到了世界頂尖水平，但在規?？萍?、大裝置建設、大的科學項目上與歐美相比還有很大的差距。我很想在這方面出一把力?！倍倪@三個夢想如果能夠一一實現，必將有助于中國科學界整體水平和地位的提升。

丁洪不止一次地告誡自己的學生：做科學，特別是基礎科學，從投入到產出，是需要一段比較長的時間的，需要你坐得了冷板凳，守得住清貧。做基礎科學有一點像搞藝術，追求的是一種夢想，而不僅僅是一份養家糊口的工作，所以需要有大胸襟，大氣度。

丁洪如是說，也是如此做的。身為北京凝聚態物理國家實驗室首席科學家的他，每天忙碌著自己的試驗、科研、培養學生，規劃團隊的未來、與國內外的朋友交流，還在不停地跨界合作……每天的日程排得滿滿當當，卻不知疲憊地樂在其中，在他的三個夢想照耀下，丁洪正充滿了豪情壯志，在未來的科技之路上鏗鏘前行！