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发布日期:2024-08-28 10:08    点击次数:87

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本报记者 何蕊

依旧是一身藏蓝色西装和招牌式的细框眼镜。7月初,中国科学院院士、清华大学物理系教授薛其坤像往常一样,准时出现在物理系团队的组会上。尽管如今站在讲台上作报告的是自己学生的学生,尽管一个多星期前他刚刚荣获国家最高科技奖,师生们眼前的薛其坤什么都没变——仔细听、认真记,不时耐心地纠正汇报者的英文语法和发音。

组织、参加组会这件事,61岁的薛其坤从回国组建团队起,已经坚持了近20年。正是缘于数十年如一日的辛勤耕耘,薛其坤带领团队,用一个个重量级科学发现,助力我国量子科学研究跻身世界第一梯队。他们首次实验观测到量子反常霍尔效应,在国际上产生重大学术影响;钻研高温超导机理,开启了国际高温超导领域的全新研究方向。

“国家最高科学技术奖这份荣誉不仅属于我自己,也属于清华团队,属于所有爱国奉献、努力拼搏的广大科技工作者。”他以此鼓励团队中的年轻人,并立下目标——“我会把这次表彰作为新的起点,持续为中国的科技事业高质量发展贡献智慧与力量。这条路,我会一直走下去!”

薛其坤在实验室仪器旁观察实验进展

深夜微光

只要没有外出工作,薛其坤在清华物理系的办公室透出的点点微光,就很少在凌晨前熄灭。

6月24日,薛其坤站上了2023年度国家最高科学技术奖的领奖台,成为该奖项设立以来最年轻的获奖者。获奖后,他一如既往地出现在办公室,在电脑前专注地审看学生们从实验室传回的数据。办公桌右侧的显眼位置,摆放着一个木质相框,“勤奋、乐观、团结”6个毛笔书写的大字刚劲有力,这是薛其坤写给自己的工作信条。办公桌上,纸巾、茶杯、饼干等生活用品被整齐地摆放在一角。薛其坤说,学生们经常在实验室工作到深夜,这是为大家准备的。

近一个月里,薛其坤公务十分繁忙,但只要能挤出一点时间,他依旧会和往常一样,去实验室看看。深夜的清华低维量子物理国家重点实验室内,数台仪器发出低频的运转声。薛其坤说,这是最悦耳的“白噪声”——由于量子物理实验对周边环境要求高,白天车来人往,会影响实验数据的稳定性。所以每到深夜,这间实验室总保持着灯火通明的状态,实验仪器24小时运转,随时有人值守。

在外行人看来,一台台仪器像是长着三头六臂的大型显微镜,主体部分包裹着银色的外套,从内向外延伸出数不清的管道。用专业术语讲,这是融合分子束外延设备、扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱3种实验设备的超高真空联合系统,由薛其坤带领团队率先研发并运用,在量子反常霍尔效应实验探索中起到了重要作用。

仪器上,开了多个圆形的小玻璃窗,方便科研人员随时观察实验进展。“薛老师只要来实验室,就会通过这个小窗看看薄膜样品的生长情况,还会问问学生的学习、实验进展,给出建设性的意见和建议。”冯硝是薛其坤的博士生,2008年加入研究团队,如今已成长为清华物理系副教授。

12年前,冯硝就是利用仪器,制备出第一块实现量子反常霍尔效应的样品。

这项普通人听起来宛若天书的物理效应,其实跟生活息息相关。

进入信息时代,芯片成为处理信息的“大脑”。在指甲盖大小的芯片里封装数十亿个晶体管,堪称人类最复杂的创举之一。可是,当数据量呈指数性爆发,仅凭集成更多晶体管的方法不再好使,元器件的发热问题成为限制算力提升的瓶颈。而量子反常霍尔效应,则为实现超高性能电子器件提供更多可能性。

“超海量数据时代对信息的存储和处理提出极高的要求,需要一种完全创新的计算机,实现类似于超导、电阻等于零的无能耗输运。”冯硝解释。在材料中,电子的运动是高度无序的。电子和杂质、电子和电子都会不断碰撞,产生电阻、发热等现象。如果给薄膜材料外加一个强磁场,电子有可能立即“规矩”起来,沿着边界不受阻碍地运动,这种有趣的现象就叫量子霍尔效应。

如果能找到一种特殊材料,既能自发磁化,电子态又具有拓扑结构,则有可能在不外加磁场的情况下产生量子霍尔效应。这就是量子反常霍尔效应。

多年来,它如同一个传说中的“宝藏”,让各国物理学家魂牵梦萦,却没人能证明它的真实存在。

薛其坤团队做到了。

2012年12月的一个晚上,清华实验室中传出震惊国际物理学界的消息——薛其坤带领科研团队历经4年,对1000余个仅有5纳米厚的薄膜样品进行系统研究,终于获得了一种磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,通过实验在世界范围内首次观测到了量子反常霍尔效应。

因为这项重大的科学发现,薛其坤3个字不再普通,他被视为凝聚态物理领域的传奇人物,开始迎来人生中的一系列高光时刻:2016年,荣获首届未来科学大奖;2018年,荣获国家自然科学奖一等奖;2022年,荣获菲列兹·伦敦奖;2024年,荣获巴克利奖……物理学家杨振宁评价,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。

成功密码

时间倒回至1963年,那时中国物理学家还在相关基础科学研究中苦苦探索,物理学发展大幅度落后于世界先进水平。这年冬天,山东省临沂市蒙阴县的一个小村庄里,薛其坤出生了。

家中清贫,父母整日劳作,他是农民的儿子,是大山深处的放牛娃。青少年时代,薛其坤成绩突出,高考时物理满分100分,他考了99分,如愿考入山东大学光学系激光专业。

1984年,薛其坤大学毕业,壮志满怀地决定考研究生,挫折却不期而至。第一次考研,高等数学仅得39分。他转而就业,进入曲阜师范大学教书,其间第二次考研,总分又未达录取线。

两次考研失利,在那个年代足以击退大部分学子,可薛其坤却说:“沂蒙山里出来的孩子,不怕挫折。”他反思自己“还是准备得不充分,没有稳扎稳打,耍了小聪明。”第三次考研,他认真备考,终于在1987年“上岸”,考上了中国科学院物理研究所凝聚态物理专业。

这是一门研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间关系的学科,而场离子显微镜就是能够进入微观世界的“眼睛”。在导师的带领下,薛其坤每天至少要试做3个场离子显微镜的样品针尖。两年多下来,他的“手艺”已炉火纯青。

硕士毕业后,薛其坤觉得还没学透、学够,于是在导师的引荐下,前往日本东北大学金属材料研究所继续学习、搞科研。他回忆,自己在那里经历了“脱胎换骨的改变”。在日本学习期间,他进入联合培养导师樱井利夫的“7-11实验室”——每周6天,早上7点需到达实验室,当晚11点之前不允许离开。

之后在清华任教,薛其坤还延续了这一作息习惯,因此他还有个外号——“7-11”院士。

“每天就是三件事:吃饭、睡觉、搞科研。”也许是靠着山东人的“皮实”,尽管语言不通、技术不熟、睡眠不足,在崩溃边缘数次徘徊,薛其坤终于挺过了适应期。每天第一个到实验室、最后一个离开,他凭借此前的功底和持续的努力,成为全实验室扫描隧道显微镜实验制备针尖方面水平最高的学生。仅用一年半,他的研究就取得了重大突破,这也是樱井利夫实验室近30年最具突破性的研究成果。

在如此严苛的工作环境下,他学会了怎样做扫描隧道显微镜实验,掌握了分子束外延技术。这也为他回国后的科研奠定了基础。

36岁那年,薛其坤回国了。他进入中国科学院物理研究所工作,很快携手研究团队,在纳米团簇、量子尺寸效应等方面取得一个个实验发现。2005年,薛其坤来到清华物理系任教,组建起一支不同年龄、不同背景甚至来自不同单位的研究团队。

作为团队里的“大家长”,薛其坤经常给大家讲起他人生中最难熬的日子:在日本留学初期,因为听不懂导师的指令,他经常受到严厉指责,导致大家一起做实验时,他不敢碰仪器,只在一边怔怔地看,好在最终还是咬牙坚持了下来。

谈及那段经历,薛其坤也总是笑呵呵地挥挥手,轻描淡写地形容成“累并快乐着”。他说,科学探秘,就像侦探解谜一样有趣,“从事科研这么多年,我极其努力,也非常快乐。”

“慢步”先生

36岁回国、42岁组建自己的科研团队,在当下青年科学家辈出的时代,薛其坤的脚步似乎走得“有点慢”。可他说:“如果成功路上,迷宫有99条,只有一条路是通的话,我必须要把不通的路都探索到。”

薛其坤也用实际行动践行着这句话。

实现量子反常霍尔效应的关键,是制备一个同时拥有拓扑、绝缘、磁性3种特性的薄膜——相当于培养一个运动员,既要有短跑的速度,又要有举重的力量,还要掌握花样滑冰的技巧,难度可想而知。

此外,理想的薄膜样品厚度只有5纳米,相当于头发丝的十万分之一,肉眼几乎看不到。制备这种材料,需要将几种元素用分子束外延法一层层生长起来。具体怎样生长、几种元素如何配比、结构如何搭建,非常复杂精妙。

冯硝回忆,每制备一个样品都不容易,从准备、生长到完成测试,至少需要三四天,“不顺利的时候几个月都没有任何进展。”薛其坤对实验要求还十分苛刻,必须要做出表面原子级平整的拓扑绝缘体。

生长、测试,失败、改进,再生长、再测试……薛其坤开玩笑说:“我们的机器没有停过,我们把机器都累‘死’了。”

薛其坤的步子也没有停过。即便是走得很慢,他也踏踏实实、耐心地把每一步迈实、走稳。

清华物理系副研究员王立莉是薛其坤招收的第一届硕博连读研究生。她眼中的“老薛”极其注重细节,拥有超乎常人的坚韧和毅力。“在实验室时,他会检查学生做实验时是否佩戴口罩、手套,甚至观察他们在超真空系统上拧螺丝的方式是否正确。”她说,如果学生正在操作仪器,薛其坤则会耐心等待学生操作完毕之后,再对细节进行指导。对此,薛其坤也曾说:“学生在做实验,你不能去打扰他。即使是再厉害的人,也不能打扰别人做实验。”

至于为什么管老师叫“老薛”,王立莉笑着说,自己很幸运,和薛其坤一同经历了早期团队建设的阶段,也见识到了他在工作以外的另一面:这位山东汉子平易近人,天生乐观,性格豪爽,“一点架子都没有,能和学生打成一片。”

比如,他经常拿自己一口浓重的山东临沂口音开玩笑。薛其坤曾给大家讲过一个“段子”:一次,自己受邀去国外参加报告会。演讲完毕,一位听众上前握手,问:“薛老师,听您口音很亲切,您是山东人吗?”薛其坤不好意思地笑称,自己的“English(英文)”,不是“英glish”而是“山glish”。

玩笑之余,他还不忘用自嘲的方式激励学生。为了锻炼学生英文水平,为未来站上国际舞台交流合作打基础,薛其坤要求学生用英文作报告。碰上发音不准的学生,他会耐心地纠正,再笑呵呵地补上一句,“你这英文口音可比我还重啊!”

很少有人见薛其坤“红过眼”,除了有一次,薛其坤像往常一样来到实验室,碰到学生没有盯着实验,而是在电脑上浏览无关内容,于是严厉批评:“你们现在拥有这么好的实验条件,却不知珍惜,这不只是在浪费自己的时间,也是在浪费科研资源!”说到激动处,薛其坤竟红了眼眶。

严慈相济的培养下,薛其坤团队不断在量子反常霍尔效应相关研究中取得新成果,引领着该方向的国际学术进展。他们在2018年首次发现一种内禀磁性拓扑绝缘体,具有规则排列的磁性原子和巨大的磁能隙,有可能实现更高工作温度的量子反常霍尔效应,使其能在电子器件中应用。

这一发现开启了国际上一个新的热点研究方向,近年来已有科学家基于该材料在30开尔文温度(约零下243.15摄氏度)中,观测到磁场辅助下量子反常霍尔态存在的证据。

薛其坤说,目前,团队正在试图提高量子反常霍尔效应的观察温度,寻找更便宜的材料,使其尽快应用到实际中去。

再攀高峰

过去10余年里,薛其坤团队对拓扑量子物理的探索从未停止。他们多年耕耘的另一个世纪难题是高温超导机理。

同样是一个宛若天书的领域,和拓扑量子物理有着剪不断的关联。在超导领域,一个非常重要的研究方向就是把产生超导现象的温度不断提升,使其在正常温度下应用。

薛其坤介绍,前人科学家最早发现超导的时候,是在液氦4开尔文温度(约零下270摄氏度)下实现的,“但是液氦很稀缺也非常贵,大约一升200元。如果把超导实现温度提升到77开尔文,也就是液氮温度下,就非常可观了。”他耐心解释,因为液氮很便宜,和矿泉水的价钱差不多,人们得到零电阻现象的成本就降低了很多。

多年来,在室温下实现超导,成为一批批科学家的理想和心愿。《阿凡达》电影中悬浮的山,实际上就是室温超导现象。薛其坤畅想:“如果真能实现,输电线路就再也不会因电流发热而能耗巨大,很多电器都会因为室温超导的应用,大幅度降低能耗。”

然而,通往科学的巅峰,从来没有坦途,有时还需要经历与主流认知背道而驰的孤独和冒险。

传统认为,铜氧化物高温超导材料中,电子是各向异性配对的,这也是高温超导研究中的一个主流认识。

然而,薛其坤团队通过单层硒化铁与钛酸锶衬底结合而产生出的界面高温超导,却和主流认知不同。“虽然温度只是接近液氮温区,但综合多个物理参数推测,这是一种新的高温超导体系。”他解释,关键之处在于,它不是电子各向异性的配对结果,而是一个简单的各向同性的配对结果。

这一发现挑战了国际主流共识。“我和薛老师说,这个观点提出来肯定要被人吐槽的。”清华物理系教授王亚愚说,“结果他说,那就太好了!最有挑战性的东西,我们就要努力做。”

在“从0到1”“从1到无穷大”的过程中,薛其坤向来敢于冒险。

目前,薛其坤正在带领团队探索高温超导机理,在这一领域继续取得新的“中国发现”,从而更新凝聚态物理基础理论。“如果我们把谜底揭开了,就有可能设计出高温超导材料外汇配资合法吗,在室温下甚至更高温度下实现超导,这将是对全人类的重要贡献。”对此,薛其坤充满期待。

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