努力做国际一流的物理学研究——访长江学者、上海交大钱冬教授

努力做国际一流的物理学研究——访长江学者、上海交大钱冬教授

钱冬教授

因为入选2015年度“长江学者”，钱冬，这位2010年的启明星、上海交大天文与物理系教授开始为学术圈外人知道，《今日启明星》专栏也因此有幸相约采访。随着采访的深入，我有一种感觉，这是一个称得上牛人的学者，找他找对了！尽管启明星群体中牛人不少，但因为每月只能采访一位的限制，使得很多牛人都错过了。因此找对人，听到有意思的故事实在也是采访者非常开心的事。

采访那天气温较低，为方便我们，钱冬特地从交大闵行校区赶来徐家汇校区，我们之间的交谈从一开始就很放开，可能主要是因为是启明星报道的缘故，钱冬完全不把我们当外人，加上钱冬本人阳光、率真的秉性，所以采访几乎是在不间断的情况下进行的。

受教复旦名师，选择物理为业

1977年出生的钱冬是浙江宁波镇海人，其父母都是普通工人，由于家乡素来有尊师重教的传统，加上就读的镇海中学出过包括著名物理学家贺贤土在内的三位院士（故该校有院士摇篮一称），浸淫在这样的氛围中的钱冬高中毕业在选择高考专业方向时就选了自然科学学科。钱冬说自己各科成绩中数学成绩最好，但他更喜欢与看得见摸得着的东西打交道，加上中学物理老师是复旦毕业的，所以就选择报考复旦物理系。

1994年进入复旦的钱冬赶上或者说见证了几次大的教育教学变革。94年是复旦教改第一年，最大的变化是开始实行学分制，可以自主选课；很快又搞通识教育（那时的通识教育是除了专业课外可选修大量的人文课）；取消了班主任制；所有科目的考试成绩只打A,B,C,D（以前是按百分制打分）；让本科生尽早参与实验也是教改的一部分等等。受惠于此的钱冬三年级时就可以进实验室，第四年起就完全可以在实验室里跟着做研究的老师干活了。非常有幸的是钱冬从那时起一直到博士毕业就一直跟着金晓峰老师。

在钱冬眼里，金老师是一个对从事物理学基础研究，对做学问极其认真，有着近乎圣徒版虔诚和执着的学者：“金老师对物理学发展的大势非常清晰，一直要求我们想清楚所做的课题究竟要解决什么科学问题，而且对整个研究过程要求非常严苛。除了大方向的把握，金老师对于具体的实验过程是完全放手的。”这种近乎职业科学家的训练让钱冬等一众学生非常受益，“这也是我们这批同学毕业后基本上都选择物理学为业的原因”。钱冬回忆，当时（2000年前后），复旦物理系在硬件设备上和国外差距很大，但是他们所做的课题的思路、科研方法和解决的问题与国际一流水平已在同一层次，“那时我们实验室研究的已经是本领域最前沿的东西，如‘超薄薄膜磁学’，没过几年我们团队就在Physical Review Letters上发这方面的文章了”。

选择强关联物理，喜欢接受挑战

钱冬是博士读到第二年时经金老师推荐到德国马普微结构所——国际上磁学研究的重镇去进修。马普所的博士生管理是彻底放羊式的，导师完全放手，就看学生怎么做。由于钱冬在复旦已经适应了这种科研模式，所以很快就融入了马普的环境，做出了非常优秀的工作。在德国呆了一年后钱冬回复旦并在2003年1月博士毕业后去了普林斯顿大学物理系做了3年的博后加2年多的研究学者工作，也正是在这段时间钱冬开始了自己第一次重大的学术转向。钱冬到了普林斯顿后就选择了一个名为“强关联物理”的新方向。

之所以转向这个方向，钱冬说因为这是挑战性更大的新物理研究领域：“强关联物理是一类到现在为止都没有明确的物理模型来解释的、人们对其了解也相对较少的凝聚态系统（金属氧化物是其代表）。我就是冲着这是更具吸引力，更有挑战性的领域而去的”。

钱冬对什么是强相关物理做了一番尽可能科普的解释：所谓强相关是把电荷、自旋、轨道、晶格等等物理的自由度（变量）都绑定在一起，这样就能互相影响。理论上所有这些绑定相互之间的效应是可以利用的。如改变电荷的分布来改变磁距的分布，从而改变磁场，简单而言就是用电来控制磁场，而传统理论是磁距的变化是由磁场决定的。未来在这样的关联系统中，就可能用电控制磁场，这样就可以把器件做的非常小，从而大大提高器件的集成度及运行速度。

钱冬说正因为“强关联物理”难，故此吸引了国际上最顶尖的物理学家，而且人数不少，中国也是一样。复旦现在最具代表性的如封东来，国际级知名学者沈志勋、张首晟等都在做强相关物理。

钱冬以高温超导为例进一步作了阐释：高温超导就是一个强关联系统，尽管到现在为止在物理上还没有解释清楚为什么是高温超导，但探索过程本身就促进了对金属氧化物的理解，促成了很多阶段性成果。

在钱冬看来，强关联物理既是有待探究的新物理门类，又是会开启无数应用可能的发明之源头，所以才那么别有魅力。

普林斯顿奠根基，结缘拓扑绝缘体

话题回到普林斯顿大学的研究生涯。钱冬在这所世界知名学府呆了5年多。前三年主要经历是强相关物理，后二年开始进入拓扑绝缘体（普林斯顿是这个方向实验研究的开拓者之一）。普林斯顿大学给钱冬的最深印象还是其浓厚的学术氛围：“那里科研力量主要由博士后+博士生+老师构成，研究生远远多于本科生，其中来自美国以外的学生有一半以上。那里的博士生都非常优秀。所有来自不同专业领域的老师对大家做的东西都很感兴趣，如粒子物理领域的人的报告，其他不相关的领域的老师都会来听。”“那里的科研人员花在评奖、评审上的时间很少，研究上的时间比我们多。他们也要申请经费，但是好的教授一旦申请到了经费会持续地得到后续资助”。

让钱冬感触最深的是，普林斯顿大学能吸引到世界上最好的博士后。在美国博士后是最主要的研究力量，全世界最好的博士大都会选择到普林斯顿大学等一批美国最好的学府做博士后研究，这是美国一直在科学上能保持竞争力的核心要素之一。“相比之下，国内现在最缺的就是一大批优秀的博士后。当然这也与我们现在很多大学招年轻老师要求有国外经历有关”。

钱冬以上谈到他在普林斯顿的后二年转向拓扑绝缘体方向，是因为他所在的普林斯顿研究组在研究强相关物理时所用的实验方法后来知道是最适合做拓扑绝缘体的。而进入拓扑绝缘体对钱冬来说实验难度反而降低不少，因为拓扑绝缘体是可以通过实验明确验证的。

强关联物理的事还没有完，现在又出来一个“拓扑绝缘体”，我赶紧让钱冬暂停打住，先给我们普及下何谓拓扑绝缘体。以下是钱博士的表述：拓扑绝缘体是对绝缘体的一种新的认识。2006年开始发现它是一种特殊的半导体，即体内绝缘，而其边缘存在导电通道，且这种通道无法去除。让研究者砰然心动的是：这种拓扑绝缘体居然可以做到在100%导电的情况下完全不发热。拓扑绝缘体实际上是引出了一种既能导电又不发热的物理可实现性，这是令物理学界非常感兴趣的效果。至于为什么要冠以“拓扑”一词，钱冬说那是借用数学术语，用来描述固体系统中波函数的特征，物理上原本有拓扑量子态一说的。

钱冬告知，尽管难度略有降低，但在新物理特征和价值的重要性上，拓扑绝缘体与强关联物理难分伯仲。钱冬是2007年进入这个领域开始做三维拓扑绝缘体，这一年拓扑绝缘体开始走向世界一些主要的实验室。不多久，钱冬所在的普林斯顿实验室就在Nature上刊发了三维拓扑绝缘体的第一篇文章（钱冬是第二作者）。“2007年时我们的工作就证明拓扑绝缘体的理论是成立的，而且找到了第一种三维的拓扑绝缘体材料BiSb（两种元素的合金）。之前，BiSb合金是作为一种一直存在的热电材料，但物理上大家不知道可以用这种方法来描述，也完全不知道其特殊的应用可能性”。目前最理想的三维拓扑绝缘体Bi2Se3（三硒化二铋）方面的工作是2008年钱冬所在的普林斯顿大学实验室发现的，相关工作在2009年发表。

长聘交大，做世界最好物理学研究

钱冬是2009年回国的。回国前，金老师强烈推荐他去上海交通大学张杰校长领衔的物理系（当时还叫应用物理系，09年改为物理系，之后又改称物理与天文系）。到交大后，钱冬一直用心于二维拓扑绝缘体，试图寻找新的、体内不导电、边缘导电的材料。终于在2012年和2015年找到了可以用来制成厚度只有两层原子薄膜的材料。尽管现在谈论器件化还太过遥远，但是理论上这种传输效率更高、能量几乎不消散的器件是存在的：“这还仅仅是其中一种应用。另一种可能的应用是利用电子传输过程中的自旋极化效应，因为自旋传输也是不耗散、不改变信息的，所以这种特性在自旋流的产生和自旋电子学中都是很有价值的，不发热是因为用自旋来传输信息，而非用电荷的方法。理论上拓扑绝缘体可以用于能量无损耗的电荷传输，钱冬当然很清醒，这种理论上的可能到应用还有很长的路要走。

钱冬说尽管二维拓扑绝缘体是他现在的重点课题，但是强关联物理依然是他的兴趣所在。在钱冬看来，“中国自然科学与国际水平最接近的是物理学，而在物理学领域和国际水平大规模接近的是凝聚态物理，所以这个领域从来就是跨国界的、全球性的”。作为听者的我觉得敢于说出这样多少有点霸气话的人是真的有足够自信的。

话题回到钱冬这次入选长江学者计划和前两年获得交大长聘教授上。听闻交大物理系是试点，即完全参照国际一流大学的标准评聘教授，这其中到底难度在哪里？2014年获聘上海交大长聘序列教授职称的钱冬如是介绍：交大物理系在这个问题上做得比较彻底，现在采取的是跟美国一样的制度，即非在国外名校做过博后而且进入“青年千人”计划的基本上没有可能作为教研人员入职交大。入职后一般是从副教授开始，但是这个副教授是有期限的。6年后如果在系内投票未通过，则会被解聘。投票是指国内外该学科领域一流学校或者研究所的教授或者研究员写推荐信与系内老师投票相结合。投票通过，才有机会转为终身副教授。钱冬说，按现在的制度，只有评上“杰青”或“长江”才能确保成为长聘正教授。钱冬觉得这个机制带来的好处之一是能真的做到优胜劣汰，如此可以不断地吸收新鲜力量。这个机制对于科研来说，至少就美国这些年实践的效果还是比较好的模式。但由此带来的一个“副作用”是年轻教师普遍觉得“压力山大”。

作为过来人，钱冬很能理解新进老师的压力。但他想表达的意思是：要把物理学做好，必须绝顶聪明，极端努力，而且要能静的下来，同时还要对物理真的感兴趣。否则会很痛苦。

此次对钱冬教授的采访让我感觉收获颇丰，大致了解了什么是强关联物理和拓扑绝缘体，知道了在上海复旦、交大有一批凝聚态物理学家正在做的研究工作是可以与国际一流实验室比肩而不逊于别人的，当然我也因此多了一位优秀的启明星朋友，一位充满自信阳光的交大教授。

[江世亮、顾姚星采写于2016.2.12]