记发现三重简并费米子的科学家：“高深”费米子背后的“简单”科学

图为石(左)、翁宏明(中)和(右)

图中显示了实验上在固体材料中发现的三种费米子:四重简并狄拉克费米子(左)、双简并外费米子(中)和三重简并新费米子(右)。(图片来自中国科学院网站)

这一发现的外部评价具有重要意义——对打破常规分类的新费米子的研究对于深入理解基本粒子的性质具有重要意义。更难得的是，从理论预测、样品制备到实验观察的整个研究过程都是由中国科学家独立完成的。

最近，许多科技媒体报道了中国科学院物理研究所研究小组在拓扑态研究领域取得的重大突破:中国科学家首次观测到三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态的研究开辟了新的方向。研究结果于6月19日发表在《自然》在线版上。

这一发现的外部评价具有重要意义——对打破常规分类的新费米子的研究对于深入理解基本粒子的性质具有重要意义。更难得的是，从理论预测、样品制备到实验观察的整个研究过程都是由中国科学家独立完成的。

这项举世瞩目的成就，来自中国科学院物理研究所的一群年轻科学家。翁宏明、、石是这支队伍的核心成员。他们来自不同的省市，学习不同的专业。与此同时，他们也有共同的经历，比如在20世纪90年代中后期进入大学，21世纪初在日本学习，然后迅速回国。经过十多年在研究领域的默默工作，他们可能已经进入了“爆发期”。

理论、样品和实验并不缺乏。

在物理研究所的年轻人中，翁宏明研究员是个小名人。在智虎，经常会有“八卦”的问题，如钟芳、戴Xi、翁宏明是否代表了世界凝聚态物理的最高水平。作为一名理论物理学家，翁宏明专门从事量子材料的计算和设计。2015年，他与、戴、等人一起，首先从理论上预测，然后与实验组合作，首次证实了外部半金属钽砷化物族材料的存在。2016年，他们进一步“预测”了一类碳化钨晶体结构材料中三重简并电子态的存在。《自然》杂志公布的结果从实验上证实了一年前三重简并费米子的预测是正确的。这两个实验是由物理研究所的丁洪和前田团队进行的。

一般来说，物理学分为两类，即理论物理学和实验物理学。理论物理通过理论推导和公式计算得出的结论称为“预测”。“预测”必须通过实验来验证，才能成为国际公认的事实。

你们中的一个人可能会注意到，物理研究所的几项重大发现的官方摘要反复提到“理论预测、样品制备和实验观察的整个过程”。在科学家看来，正是这三个环节的环环相扣导致了他们的多次成功。“我不能没有任何联系。这一次，我第一次能够在世界上其他群体之前观察到三重简并费米子。这是每个人合作的结果。”翁宏明说。

翁宏明和前田都表示，仅仅依靠一个人甚至一个群体进行科学研究是不够的。当有重要的任务和目标时，我们的团队会紧密合作。无论是前年对威尔半金属的发现，还是这次对三重简并费米子的发现，都比理论、样品和实验的紧密结合要好。

这里我们必须提到样品制备，它可能被许多研究机构所忽略。"但是在物理系没有这样的问题."石兴致勃勃地说道。他是物理研究所的研究员和样品制备专家。他生来就有一张笑脸，但他已经练就了硬功。在发现三重简并费米子的过程中，经过几次探索，他很快开发出高质量的样品，为团队赢得了宝贵的时间。

我们应该埋头苦干，清闲地聊天。

石笑着说他在做“体力劳动”。诚然，这是体力劳动，因为样品的制备和提取过程不能中断，而且对样品的质量和大小要求特别高，所以石和小组的成员经常在实验室里呆上几个小时，戴着几层手套，浑身都是汗和衣服。“我通常喜欢做一些运动。我做体力劳动，但我做不到，因为我身体不好。”石笑着说。

石从事这项体力活已经十多年了，但他的同事们都说，样本增长是一项需要长期积累和探索的技能。国内外的同事经常要求他采集样本，没有样本他们就不能做实验。

因此，可以说是“物尽其用”，而石的许多样品总是能在第一时间为他准备好。“这是石从碳化钨家族中快速制备的磷化钼单晶样品。经过几个月的反复实验测量，成功地分析了磷化钼的电子结构，观察到三重简并点，与翁宏明的计算结果高度一致。第一个实验证实了突破传统分类的三重简并费米子。前田说。

钱天昌长着一张娃娃脸，看起来有点不善言辞，但他自己说他在日常生活中最喜欢的事情是聊天。“我过去认为我可以通过阅读文件和做实验来解决这个问题。后来，我发现与人交流也很重要，因为我可以从人们那里获得新的想法和方法。”他说。

物理研究所的咖啡店在这个圈子里享有很高的声誉，据说这里的咖啡很美味，而且这里经常有来自各种“大科学咖啡馆”的“火花”。像他们的前辈一样，翁宏明、石、也把咖啡馆当作他们的小空间。翁宏明必须在第一时间告诉他们他有什么新的想法，石和在实验过程中有什么新的发现或怀疑将在第一时间反馈给翁宏明。

“我们可以在闲聊中交换信息。我们的沟通是完全开放的，让每个人都毫无保留地知道我们做了什么。”翁宏明说。

十年的磨砺也经历了一些犹豫和困惑。

在人们的想象中，理论物理学家的生活就像“老和尚安顿下来”——坐了一会儿，沉思了一会儿，他们突然出现了，但现在他们已经改变了节奏。“每天工作中要做的第一件事就是检查世界上最新的科学研究进展，了解世界上最先进的研究和进展，然后分析、思考、计算，然后与同事交流你的想法。”翁宏明说。

翁宏明自2000年在南京大学攻读理论物理博士学位以来，在这一领域积累了十多年的经验，并始终坚持自己的研究方向。但是在物理方面，他们还是初级的。

说起来，这一代年轻科学家压力很大。在他们之前，有许多有杰出成就的前辈，在他们之后，有许多有杰出才能的海归。他们还想知道:“他们自己的研究能产生惊人的结果吗？”

"但是这些年来，我一直坚持让样品制作越来越方便."石对说:前田也有同感。他说在实验过程中有许多不确定的因素，成功和失败是常有的事。像这个三重简并费米子实验一样，中间有许多曲折。幸运的是，经过几个月的实验，他们终于成功了。一旦实验开始，它将被一天24小时和一天24小时保存在实验室里。熬夜是很平常的事情，钱天和他的同事就这样“熬夜”。

几个月前，钱天河和石聊了聊，讨论了科研成果和信心。谈话结束时，他们互相鼓励，并说如果他们坚持耕作，总有一天会有收获。几个月后，他们在《自然》杂志上发表了一篇三重简并费米子的文章，赢得了全世界的关注。

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