WILEY 人物访谈——上海科技大学郭艳峰研究员

“判天地之美,析万物之理”。这句话非常形象的定义了物理学的研究范畴,描绘了物理学之美。雪花飘舞之美,斗转星移之美,处处离不开物理学原理。那么当诗歌之美与物理之美交相辉映,又会是怎样一幅画面呢?本周的WILEY人物访谈,我们介绍一位十分喜爱写诗的年轻物理学家——上海科技大学物质科学与技术学院的郭艳峰研究员。为我们介绍了当今时代凝聚态物理的主要研究方向,开阔大家的视野,并结合自己的科研生涯提出了对科研的独特见解。“诗以言志,文以载道”,一首简短的小诗更是言简意赅的表达了郭老师这一路走来的所思所悟,有彼时的艰辛,也有此时的豁达。希望每一位初入科研的年轻学子们,能够在曲径通幽的科学道路上愈挫愈勇,最后可以柳暗花明又一村,在人生舞台上绽放自我。

人物简介

郭艳峰,上海科技大学物质科学与技术学院研究员、终身制序列助理教授、博导、课题组长,上海市高校东方学者特聘教授、浦江人才计划获得者。2008年硕博连读毕业于中科院物理研究所;2008年至2012年日本国立材料研究所(NIMS)博士后;2012年至2015年牛津大学物理系博士后;2015年加入上科大任现职。目前从事新量子材料探索、高品质单晶生长及物理性质研究,主要围绕拓扑、超导及新颖磁性材料开展研究。已在Nat. Mater., Nat. Phys., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett.,Phys. Rev. X,J. Am. Chem. Soc.等学术期刊发表论文100多篇。

近江看水

MVC: 能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?

GYF:我们课题组的研究主要基于三个核心能力,即新量子材料探索、高品质单晶生长及物理性质的综合表征。目前主要开展了拓扑、非常规超导及新颖磁性这三个相互关联方向的新材料及新颖物理性质的探索,旨在发现诸如马约拉纳零能模、高温量子反常霍尔效应、高温超导、低维磁性等有趣且重要的物理性质,为实现拓扑量子计算、下一代新型电子或自旋电子学器件提供更多材料选择,为低能耗绿色科技贡献力量。

MVC: 您认为现阶段物理学领域最重要的研究方向有哪些呢?

GYF:物理学研究领域非常宽广,不敢妄加置喙。仅我所在的凝聚态物理研究领域,就涵盖了诸多方向,每个方向都有其重要的研究内容。我个人认为,本领域重要研究方向应该有这样三个:在基础研究层面,解决一些长期悬而未决或存在广泛争议的重要问题,如高温超导产生机制、拓扑输运现象的理论解释、量子自旋液体理论等。不断发现蕴含丰富物理的新材料、新物理现象,并建立相应的理论。在应用方面,寻找有实际重要应用前景的新材料,例如具有能在较高温度工作的马约拉纳零能模的拓扑超导体、能在较高温度实现的量子反常霍尔效应材料等,并尝试制备出原型器件。在制备和表征手段方面,一方面要突破卡脖子技术,研发国产的基本表征手段,另一方面要不断发展更先进的手段,让材料或器件做得更好,对物理表征的更透彻。这些方向的每一个进展,都是人类探索未知能力和知识水平的一次飞跃,将会对未来科技起到非常重要的作用。

马约拉纳零能模,即为马约拉纳任意子。1937年,意大利理论物理学家马约拉纳预言了自旋为1/2的中性费米子,它不带电荷,其反粒子是它本身。人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子,并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子,当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时,会变成两个马约拉纳任意子。在凝聚态物质中,人们在多种系统中尝试发现马约拉纳费米子,但是具有非常大的难度和挑战性,这也是国际科技界激烈竞争的战略制高点之一。在2018年,由中国科学院物理研究所、中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队,利用极低温—强磁场—扫描探针显微系统,首次在超导块体材料中观测到马约拉纳任意子。

MVC: 如今的科学探索,各个学科相互交融的成分越来越多,您认为您的研究方向发展成果对于化学、材料等领域会有哪些助力呢?

GYF:上科大物质学院下设物理、材料、化学三个方向,并未像许多传统高校那样分系,主要目的是鼓励三个方向交叉融合,相互合作。我所从事的新量子材料探索与研究,也是材料物理方向,与材料学领域交叠甚多。我们制备的很多单晶材料,有望对材料学发展起到一点作用。例如,我课题组制备了很多二维材料单晶,已经与材料领域一些课题组合作,通过对材料本身或其器件进行光、电、磁等的表征,探索其可能的应用性质。举两个最近的例子:去年,我们发现了一种稳定的层状窄带隙半导体材料Nb2SiTe4,通过与其它课题组合作研究,发现该材料具有不俗的中红外探测能力(ACS Nano 2019, 13: 10705)。今年,我们与合作者在二维磁性材料CrSiTe3中发现了极强的太赫兹辐射( Laser & Photonics Reviews 2020, 2000025),有望利用其作为太赫兹产生源。单晶制备和结构研究也属于无机化学的范畴,另外,我们制备的许多材料的化学性质,如催化等,有待进一步揭示。

真知灼见

MVC: 在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

GYF:既然说到最,那就从最骄傲和最喜欢来简单讲两个工作吧。我最骄傲的工作应该是在日本NIMS做的第一个工作,即利用锌掺杂铁基超导LaFeAsO0.85来研究非磁性杂质对其超导的影响。这种掺杂在研究铜基高温超导钇钡铜氧时起到了很重要的作用,通过它对超导的强烈抑制作用表明钇钡铜氧的超导能隙函数有d波对称的性质。但是在铁基超导研究初期,不同研究组报道了利用各种杂质掺杂铁基超导体的研究结果,好像无论掺杂什么,超导转变温度好似不受影响,我利用高压手段制备了锌掺杂LaFeAsO0.85,发现其超导电性在锌掺杂极少时就被强烈抑制,因此报道了一个与主流结果不同的现象。刚发现时内心忐忑,但是基于实验结果的高度可重复,最后把文章投稿并最终发表在Physical Review B上。值得一提的是,该实验结果论文贴在arXiv上以后,我收到了多个国际上理论和实验大牛的邮件,称赞这是一个漂亮的实验结果。这件事情教给了我一个做科研的基本态度,即不迷信主流、不盲信权威、大胆假设小心求证、尊重事实。

说到最喜欢的一个工作,应该是我们2013年发表在Nature Materials上并被选为当期News & Views点评的“A ferroelectric-like structural transition in a metal”,报道了我们发现的“铁电金属”LiOsO3,我是这篇论文的共同第一作者。这是一个从小处做起,一步步揭示出重要物理机制的工作。众所周知,一些特征结构相变,如铁电转变,只出现在绝缘体中,这是由于电偶极矩及自发极化形成会被金属中电子巡游会破坏。1965年,著名物理学家P. W. Anderson曾基于对结构相变的思考,理论预言过一种“铁电金属”相变,即金属中与铁电相变完全相同的结构相变,但是在长达半个多世纪的探索过程中,并未找到能够证实这一相变的材料。2009年,我们发现了Slater金属-绝缘体转变材料NaOsO3,自然考虑到把Na换成Li试试,结果做出了与NaOsO3不同结构的LiOsO3并测量到电阻、磁化率和比热曲线上45 K附近有一个异常,但是并未改变其金属导电性。带着对此的好奇心,我们利用中子衍射等手段进行了结构和物性的详细表征,最后证实这个异常来源于晶格不稳定压迫Li离子在其平衡位置附近沿着晶体结构c轴方向连续移动引起的二级结构相变,该相变导致晶体结构从室温的中心对称变为非中心对称,证实这个结构相变与铁电体结构相变完全相同,是寻找半个多世纪的“铁电金属”。无心插柳柳成荫,是科研创新经常要走的路,意外之喜也是大喜。

MVC: 请问在您的科研生涯中,哪些事情或者哪些人对您产生过重要影响呢?

GYF:学海无涯,我目前仍然在不断的学习,努力提高自己。在过去的科研生涯中,影响最大的一段经历是在牛津大学物理系近三年的博士后生涯。我在那里学到的第一点是做科研是为了解决问题,不是为了发表论文。大家都是在努力把基础的重要问题搞清楚,是在物理层面上思考东西,文章在每个环节清清楚楚之前,不会急于发表。第二点是努力做高质量的研究。大家对影响因子看的比较淡,在乎更多的是工作本身的质量,而不是发表在多少分的杂志上。第三点得益于我合作导师Andrew Boothroyd教授,就是对工作考虑要细致,把涉及到的问题要尽量都能想到,写论文要努力把故事简单、清晰的讲给别人,努力做到“秋水文章不染尘”

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

GYF:我感觉最大的困难是自己的知识储备不够。我的研究方向决定了我涉及的材料种类会比较宽一点,磁学的、超导的、拓扑的、铁电的、……,在研究过程中,对问题理解深度的要求往往会挑战到相对浅薄的知识。针对这个巨大困难,只能不断通过学习、与同行交流来充实自己,固然需要花费大量的时间和精力,但庆幸还能感觉到在进步。这个困难的存在,一直鞭策我放低姿态,不断学习来提高自己。

诗以言志,文以载道

MVC: 了解到您平时也是十分喜欢作诗赋词,还有人称您为“诗、词、赋三栖高手”,请问您是何时开始培养这项兴趣爱好的呢?

GYF:谢谢朋友们谬赞。我小时候接触的电子设备很少,也不太喜欢看电视,比较钟爱阅读,小学阶段阅读了不少文学名著,也喜欢看文艺性较强的武侠小说等。上初中伊始开始接触《唐诗三百首》、《宋词三百首》、《古文观止》这类的纯文学书籍,一发不可收拾的喜欢上了文学。在初高中阶段,也比较重视对自己语文能力的培养,对世界文学、中国古典文学、中国现当代文学名著涉猎很多。俗话说:“熟读唐诗三百首,不会吟诗也会吟”,稍微懂点诗、词、赋、散文也在情理之中。

MVC: 作诗赋词在您的科研生涯中,扮演着怎样的角色呢?(备注:如果方便的话,可以请您作诗一首来描绘一下困难重重的科研之路吗?)

GYF:于我而言,更多是一种消遣。小时候,充满了对未来的渴望。求学在外,充满了对亲人的思念、身处异乡的孤独感。工作以后,有对工作压力下内心情绪的释放、对未来的一些希冀、对自己的鞭策,等等。能够通过情绪的排解,让自己去掉心里的负担,让整个内心环境重新循环起来,继续积极投入到工作中。在科研这条路上,走过的弯路、经历的挫折都已经成为过去,我们需要做好眼前事、积极乐观的面对未来的每一天。这种心态就用下面这首七绝来表达下吧:

辞旧

七绝,平水韵十一真

碌碌光阴忘此身,浮生只道眼前真。

何须问取它年事,抖落风尘又一春。

MVC: 您认为对于理工科学生来说,人文精神/情怀有怎样重要的意义呢?对于培养学生人文情怀这一方面,您有什么建议吗?

GYF:人文情怀能够与理工科思维形成良好的互补,丰富精神世界、知识结构,形成正确的价值观念,提高审美情趣,培养对社会、对国家的责任感,形成多方位、全面看待问题、思考问题的习惯,让人的修养更为完整。人文情怀的培养依赖于个人和环境。个人方面,养成良好的阅读人文书籍的习惯,不断充实、提高自己。环境上,有赖良好的人文环境,这一点对于我们这样的理工科学校尤为重要,需要针对性的开设一些人文方面的课程,进行系统培养。另外还要多方位、多渠道地进行人文素养的培养,如社会调查、社会实践、社会服务等,使学生在多种多样的活动中,在与人和社会、自然的交往中开拓视野,关注社会,认识自己的责任和义务.正确处理个人与社会、自然的关系。实现自己的人生价值、培养和提高自身的人文素养。

MVC: 您对于有志从事物理学研究的年轻学子们有什么建议吗?

GYF:提三个建议吧。第一,打好基础。扎实的专业基础知识,是探索未知的武器库,能让你对发现的新现象有一个初步的了解和判断,也能让你有一个清晰的科研思路,瞄准重要问题。第二,持之以恒。做科研,很忌讳浅尝辄止,这边挖一下,那边挖一下,到最后什么都做不出来。在思路清晰、方案可行的基础上,一定要坚持去做,迟早会做出东西。但是,也切忌一条道走到黑、不撞南墙不回头。坚持到一定程度,你会对做的课题有很深的了解,它的科学意义、可行性,应该都有了自己的判断,这时候对于已经无矿可挖的课题要果断放弃。第三、谦虚好学。在科研过程中,我们每个人都要不断学习,通过阅读文献、同行交流,要不断学习新知识来提高自己,切忌固步自封,再无进步。