当材料遇上物理：创新永不停

小斯斯：本人高三，喜欢物理。我听说大学里物理方面的专业有物理、应用物理、核物理、材料物理等好多个，这里面听起来比较有趣的是材料物理，我想知道会学点什么。

想知道材料物理专业学点什么，先得搞明白——

什么是材料物理？

一切物品的制造都离不开材料。“材料物理”就是从电、光、热、声、磁、力等物理性能角度出发，研究各种材料的成分、结构、性能特点以及制备合成、加工应用。

比如家中安装的宽带网络、数字电视，都依靠光纤传播信号。光纤的全名是光导纤维，是根据光的全反射原理制成的。一根光导纤维由高折射率的内芯和低折射率的外套两层组成，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次全反射，从另一端射出。用特殊的接收仪器，就能接收光纤传递的信号。

又比如很多人家中使用的白光LED灯，也是利用光学原理研发的。众所周知，在可见光的光谱中是没有白光的，因为白光不是单色光，它是由至少两种单色光混合得到的，白色的太阳光甚至是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光合成的。白光LED灯的发光芯片一般发蓝光，在灯内壁涂抹发黄光的荧光层，蓝光照射出来的时候部分被吸收，另一部分则与黄光混合得到白光。

你看，材料物理就是这样一门实用的学科。从光导纤维内外芯材料的研发制造，到白光LED灯芯片和荧光层的设计，甚至是用于航空航天、国防科技项目的新型合金、高分子复合材料……可以说社会需要什么，我们就研究什么。

即使在本科学习阶段，你也要尽可能地去创新。

研究出新材料，或者找到材料的新性质和新应用，是材料物理研究的终极目标。正因如此，学校非常鼓励学生参与创新创业训练项目。老师们会发布一些材料学研究的前沿问题，有的偏重理论计算，有的侧重实验，大家可以根据自己的兴趣自由选择课题和相关导师。我就在大二学年末申请参与了“光学超晶格中的非对易效应的理论研究”项目。

上过物理课就会知道，当光线入射到某一均匀材料时，会产生折射现象。我们希望有这样一种材料，可以按照人们的需求控制光线入射后产生的折射光的强度。这有什么用呢？举个例子，在光纤通信中，在光源和光导纤维的衔接处设置这种材料，从光导纤维端面反射回来的光通过这种材料时，折射光强度被减弱，就能有效地抑制它对光源的影响，信号也就更清晰。我参与的研究项目就是要设计这种理想中的材料。

从物理学角度说，同样的元素组成，只是内部原子排列方式的不同，也可以形成具有不同性质的材料。把不同材料一层一层有序地叠加起来，或者把某一种材料的内部原子结构重新排列，就可能得到控制光线折射强度的“光学超晶格”材料。

经过大量的研究和计算，对于想要得到多大强度的折射光，相应的光学超晶格材料的结构应该是怎样的，我们最终给出了具体的数学解析表达式。实验、生产中需要产生多少光强偏差的材料，参考解析式给出的结构参数直接制作就可以了。

科研之路非常难走，物理、数学基础要打好。

科研之路本来就是困难重重的，更别提像我们这样刚起步的本科生了。接手“光学超晶格中的非对易效应的理论研究”项目之初，我们甚至都不知道从哪里着手研究。大学里虽然有物理学方面的课程，从牛顿力学、热学、电磁学、光学到电动力学、量子力学都不缺；我们也会学习材料科学方面的知识，包括材料的成分、组织结构、性能特点、加工的工艺技术，但这些都只是入门课，是打基础用的。对超晶格材料，我们只有一些基础概念，到底哪些材料的内部结构经过人工处理可以让光的折射强度产生偏差、哪些材料不适合这样做、推算偏差程度能用哪些公式……根本就是一头雾水啊！

好在前人已经有了一些研究成果。在项目进行之初，我们先花了一段日子阅读大量论文，从中找寻适合的材料。在整个研究过程中，遇到任何问题我们都会先到文献中寻找是否有可以借鉴的解决方案。

做科研还必须具备很强的数学能力。入射与折射本身是一个光学现象，角度和光强计算需要用到数学知识；材料内部的原子排列顺序更要通过数学建模与计算得出。虽然大一、大二学了高等数学、微积分、线性代数等课程，但看到那些动不动就占一两行的复杂公式还是让人傻眼。要解决这个问题，只能不断请教导师，认真看《数学手册》学习公式秘籍。

通过计算得出了解析式，还要由计算机来模拟折射过程，验证解析式是否正确，这时就需要用上MATLAB语言编写程序。这就需要我们熟悉程序语言，所以一有空我们就会上网找编程例子，反复练习。

功夫不负有心人，经过两年的努力，大四那年我们终于提出了自己的研究方案和实验方法，在国际期刊《Optics Communications》上发表了研究成果，我还是这篇论文的第一作者！

转变眼光看事物，抽象思维研究微观世界。

在众多参与创新项目的本科生中，我是幸运的。有些项目因为实验设备不齐全导致实验结果不理想，有些则因为参与者能力不足等原因夭折了。但不管结果如何，这都是大学里难得的科研经历。并且通过科研，我们慢慢地开始具备一个材料物理人的专业素养。

这首先反映在看事物的眼光改变了，我们能站在材料科学的角度认识生活中随处可见的事物。比如路上开过一辆跑车，过去我们会更关注它的外观：“哇，这车真拉风！”现在，我们关注的是这辆跑车轮胎是什么橡胶材料做的、车身的钢材中会添加哪些金属元素、挡风玻璃用什么材料制成……因为材料的选择对汽车的美观、耐用和安全性能有很大影响。比如，轮胎大多用合成橡胶或天然橡胶制作，在制作中，必须加入各种化学添加剂，其中一种很重要的添加剂叫炭黑，主要用来提高轮胎的硬度、强度和耐磨性。

另外，我们开始建立强大的抽象思维和空间想象能力，透过物质表面，研究微观结构和性能。

比如，你知道激光是如何形成的吗？一个原子中的电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跃迁时，电子的能量就减少了。这些减少的能量转变成光子发射出去，大量的这种光子就形成激光。那么在跃迁的前后，电子处于什么样的能量状态？重量是多少？运动轨迹是怎么样的？……这可比看得见的橡胶、塑料难懂得多。研究这些存在于微观世界里我们看不见摸不着的物质，离不开各类数据的曲线图、各种模型图像。要在脑子里建立起它们的结构图像，理解它们的性能和变化，不得不佩服自己“脑洞”还挺大呢！

学成之后……

经过四年辛苦的学习，也有了一定的科研经验和成果，难免憧憬未来之路怎么走。

客观地说，材料物理专业本科毕业生的就业机会还算多，哪里需要制造材料，哪里就有我们的身影。比如我的同学就有进入华为电子、瑞声科技等电子科技公司，或者海力士半导体公司等材料研发制造公司，去设计芯片等通信材料、手机内存等存储记忆材料、电池等能源材料，或者做产品测试，验证产品材料是否满足设计的需求。还有一些同学利用课余时间自学了不少编程知识，毕业后去互联网公司干起了各种APP、游戏软件的开发工作。

虽然本科毕业的就业面较广，但一般情况下起薪不高，加之目前整体就业形势严峻，很多人会选择进一步深造。

我这一届本科毕业生中，就业的同学大致占三成，其余都读研了。材料学、材料加工、光学工程、能源工程等都是不错的读研方向。由于国外的材料科学研究较国内成熟些，实验设备也更为先进，因此读研的队伍中，约有三成同学选择了出国深造。