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旅美博士后谈留学:路一直在脚下

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旅美博士后谈留学:路一直在脚下

  编者按:王瑜俊,2002年7月获南京大学物理系理学学士学位,后赴美国留学,2010年4月获美国堪萨斯州立大学物理系原子分子与光学专业物理学博士学位,2010年9月至今在美国实验天体物理联合研究所(JILA)做博士后研究。

  2010年11月,在美国华盛顿大学的报告厅里,当我作完邀请报告之后,一位白发老人便上前紧紧握住我的手说:“感谢你把这个奇异的量子现象推广到了更广阔的领域中……”这位老人就是因最初发现三体Efimov效应而著名的物理学家Vitaly Efimov。

看到以自己名字命名的物理效应广受关注并被年轻的研究者不断推广,这位物理学家高兴的心情溢于言表。而我,能和德高望重的物理学家探讨学术问题,并得到肯定和赞赏,作为一位年轻的科研学者,多么令人欢欣鼓舞啊!望着眼前的老科学家以及报告厅里来自世界各地的物理学精英,我不禁回想起自己从祖国到大洋彼岸充满艰辛和喜悦的科研历程。

  结缘超冷原子少体碰撞

  2002年,在文化古都南京,我在南京大学物理系完成了大学学业。4年的刻苦学习打下了扎实的物理基础,同时也让我真正感受到了物理学的博大精深与魅力。特别是在毕业设计阶段,我进入南京大学世界闻名的固体微结构实验室并参与了对高温超导机制的研究。

  对物理学者而言,看似枯燥无味的微观世界其实和现实生活一样丰富多彩。在核磁共振仪前,那些跳动着的响应信号就如同原子们一幅幅活泼的照片,真实地显现在我的眼前。这些信号又像隐含着丰富物理规律的密码,我们希望从中解读出能应用于控制超导的规律。然而迄今为止,人类已知的高温超导体都具有较为复杂的晶体结构,因此,作为具有奇异物理特性的高温超导体,本应成为承载人类希望的新型材料,其应用型研究却由于物理学家缺乏对其复杂结构的理解而进展缓慢。

  毕业后,我远赴美国继续深造,师从堪萨斯州立大学物理系Brett Esry教授。当时恰逢超冷原子气和超短激光脉冲的实验室制备和控制取得巨大突破,其中成功实现由超冷原子形成的波色-爱因斯坦凝聚态的数位科学家被授予了1995年诺贝尔物理学奖。在超低温下,原子所显现出的波动性,这使其可应用的价值远远大于其本身:作为高度可控的量子系统,超冷原子可用来进行对超流、超导机理的研究,模拟各种材料的晶格结构,利用量子纠缠态实现量子计算,并可利用量子相干性研究高效的化学反应。此时我意识到,人类几百年来在科学技术方面取得的巨大进步,正是源于人们对基本自然规律不倦的追求与理解。于是,我加入了在原子物理研究中久负盛名的JRM实验室,并在导师Brett Esry教授的指导下开始了对超冷原子少体碰撞的理论研究。

  路在脚下延伸

  作为物理学中的一大难题,少体碰撞长期以来一直倍受物理学家的关注。在超冷原子研究中,少体碰撞,特别是三体碰撞对原子气的稳定性有决定性的影响,并可作为对分子合成进行控制的一种重要手段。在超低温的条件下,原子的运动会显现出奇特的量子力学特性。在一定条件下,三个原子可形成无限多个被称为Efimov态的分子态,即使他们中的任意两个都不能单独结合为分子。由于这种分子态的形成会对超冷原子气的稳定性会有巨大影响,因而其研究在冷原子领域倍受关注。此外,Efimov态独有的分子构型不依赖于原子的种类,所以它可以用对所有原子都普适的方法合成,再作为中间态被转化到其他特定的分子态上。尽管这方面的研究仍处于起步阶段,但作为潜在的一种可控的分子合成方法,人们对它未来的应用前景充满了期望。

  我的博士研究正是集中在对Efimov态的深入理解之上。然而,看似简单的三个原子,其在超低温下显著的量子特性使得它们在空间中任何位置都可能出现,因而对它们运动的求解变得极为困难。但基于人们对少体问题已有的雄厚知识,我在不断的学习和研究中逐步掌握了Efimov态最重要的规律,并以此建立了简明扼要的物理模型用以发现并解释新的相关物理现象。同时,得益于计算机技术的发展,我们还进行大规模的数值计算以对少体系统的量子运动进行严格的求解。经过几年的努力,我们的研究积累了丰硕的成果。其中,我们开拓了观测Efimov态新的范围,这不仅大大降低了实验中对极限低温的要求,还为Efimov态开辟了更为广阔的应用空间。另外,我们还提出了利用可控手段合成Efimov分子态的方法,这对利用量子方法合成分子有重大的指导意义。这两项主要的成果均发表在了顶尖的物理学期刊上并受到了学术界的广泛关注。

  当然,要成为一名成功的科学工作者,需要掌握的不仅仅是科学知识,还需要有准确的判断力,对研究进程的调节和把握,以及和他人沟通的能力。在美国的大学中,开放而积极的学术氛围对我的这些综合素质的培养有很大的帮助。而我的导师Brett,作为Fano学派的传承人,更是帮助我塑造了高效而又严谨的科学作风。而他也给予了我高度评价:“如果你想在物理学术上有所成就,就意味着你要和全世界的研究者去竞争,这不是件容易的事情。在这方面,瑜俊无疑超越了我的期望,而且他还有另外一项重要的素质——能力。我的研究领域集中在对原子和分子物理的理论研究,这要求研究者具备广泛的技能,包括从用纸笔进行的数理分析到开发新的用于数值计算的程序算法。瑜俊在这些方面都很出色,他甚至常常会因为完成超出我预期的一些新的计算和推导而让我吃惊。瑜俊可以佐证,我的预期通常比较高,所以对我而言,超出这些预期就是我能给出的最好评语了……”“瑜俊做出了很多研究成果,如果我能有更多像他这样的学生,我会很高兴。(Yujun produced a lot of results, and if I could have more students like him, I would be very happy. )”

  最终承载我在几年的博士研究的科研成果中的,有自己对科学的热爱,有在一次次尝试中积累的经验,还有百折不挠的信念与勇气。

  由于在博士研究中的出色表现,我收到了坐落于科罗拉多的美国天体物理联合实验室(JILA)的博士后邀请。在这个仍然保持着世界上最精确原子钟记录的实验室里,来自世界各地的优秀物理学家们每天都会展示出大自然给予人类的意外与惊喜。在这个更具挑战的地方,我在新的研究领域里又迅速取得了对纯基态极化分子的突破性进展,这些新的科研成果不仅为超低温分子合成实验提供了重要的指导,更开辟了一个对极化分子新的研究方向。

在这个诞生过许多伟大原子物理学家的殿堂,我相信,站在巨人们的肩膀上的我,会用在冷原子气及分子合成的研究为人类的科学研究提供又一份动力。

 

 

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