新华网北京1月9日电(陈梦谣)最初参加“英才计划”是周正刚进入高中的时候。当时学校要求每一位同学做一个科创课题,对科技创新和科学研究并没有一个完整概念的周正便参加了科学社的培训班,通过选拔、面试入选了“中学生英才计划”。初入“英才计划”的周正一开始只是希望能够增进对科创及其方法的认识,并没有特别明确的目标,更没有想过能够遇到影响他今后学习生涯的良师。
培养的目标不止于高中三年、也不止于本科阶段
初入“英才计划”,导师陈焱就告诉周正:“培养目标不止于高中三年,也不止于本科阶段,而应致力于成为一名合格的物理工作者。”因此,导师并没有局限于中学生科创,反而让周正提前进行了大学阶段的学习。
周正学习了大学本科阶段物理系的核心课程,包括《热力学与统计物理》《量子力学》与《固体物理学》,并且完成了与参加当年课程学习的学生相同的期末试卷以作检验,得到了与二、三年级本科生相比处于中上游的学科成绩。周正说,一位高中一年级学生能被指导学习二、三年级本科课程,这是一个十分难得的机会。
周正很快就进入了物理前沿问题的研究。在完成了基础理论的学习后,导师给周正提供了一些《科学》《自然》杂志上近期的热点文献,让他跟进这一方向的研究成果,鼓励他跳出书本已有知识,探究前沿领域。在这一过程中,周正受益匪浅,阅读检索文献、总结研究现状的能力明显提升。
在旁听复旦大学物理学系课程的时候,周正与任课的外国访问学者进行了交流。高二暑假,他参加了意大利罗马大学Varlamov教授在复旦大学开设的《生活中的物理学》课程,课后的交流中,教授的建议激发了他前进的动力。此后,两人还合作研究了火锅与小笼包中的物理学,并在俄文杂志《科凡》以及线上平台arXiv上发表。
对理论物理兴趣的星星火苗 在导师点燃下变成了熊熊火焰
图为周正与导师复旦大学物理学系教授陈焱的合影
陈焱的《热力学与统计物理I》是国家级精品资源共享课,也是复旦物理学系本科生的必修课,他讲起课时娓娓道来,抽象的统计物理在他的讲解下变得条理明晰,令人深深领略到物理世界精彩纷呈的美,一手漂亮的手写板书更是令听课成为一种享受。在陈焱身上,周正看到了一位“物理人”应该有的样子。陈焱对自我的高标准、严要求贯穿在科研与教学的整个过程中。为学上,陈焱力求“先痛后快”,求索科研。他重视理论但不脱离实验,认为做科研是痛快的过程,必然先有痛苦的求索探寻,方才懂得获取新知的苦尽甘来。
导师陈焱是把周正领进物理学大门的老师。陈焱在得知周正对理论物理学有浓厚的兴趣之后,便给他描绘了一幅培养路线图,包括成为一名优秀的物理学工作者应该做哪些学习和训练,并且要周正照着这张路线图一步步走下去。每个月,陈焱都会约周正谈话,在谈话中,即使周正只问及很简单的问题,陈焱也会给他讲述某一个物理现象背后深层的物理原理或者有趣的物理故事。在导师的培养下,原本周正对理论物理学兴趣的星星火苗变成了熊熊火焰。
在“英才计划”培养期间,周正的研究课题是“对二硫化钼平面伊辛超导体高临界磁场性质的理论研究”。课题的研究动机是这样的:磁场会破坏超导体的超导电性,当施加的磁场高于某一特定值时,超导体会转变为常规材料,这一磁场的值称为“临界磁场”,磁场对超导电性的破坏会从某种程度上限制超导电性的应用。一般来说,材料的临界磁场会有一个上限,在二维材料中这一上限是“Pauli顺磁极限”。
但是2015年12月,《科学》杂志上的一篇文章报道了实验发现平面二硫化钼超导体具有数倍于常规材料极限的超高临界磁场。二硫化钼是十分热门的一种二维材料,它的结构和许多性质与石墨烯类似,但是不同的是这种材料中发生了空间对称性破缺。他们提出,高临界磁场的成因就是空间对称性破缺导致的一种特殊的效应,称为“自旋-谷锁定”(spin-valley locking)效应。这一自旋-谷锁定效应可以和超导电性合作,帮助超导电性对抗外磁场。
周正的课题从解释常规超导电性的BCS理论出发,在原有理论中加上“自旋-谷锁定”效应的影响,通过计算得出了与实验基本相符的临界磁场值,重复并细化了原有工作的理论结果,从而从理论上验证了这一效应是二硫化钼材料中超高临界磁场的起源。周正还进一步研究了材料中其他的一些性质,比如FFLO态存在的可能性,发现FFLO只能在很小的一个参数区间内存在。
高中时可能“走马观花” 大学以后需要“稳扎稳打”
高考时,周正选择报考复旦大学继续向陈焱教授学习,从“英才计划”到“拔尖计划”,他亲身参与其中,认为两者的培养是十分连贯的,从高中到大学他的目标是相同的,道路也是连续的,所作的所有努力也是一以贯之的。
说起中学阶段和大学阶段的学习,周正认为在心态、学习方式上有一些差别。首先,大学阶段的学习和训练需要对自己有更高的要求,打下更坚实的基础,形成更深入的理解。高中时对许多东西的了解可能是“走马观花”,而到了大学以后则需要做到“稳扎稳打”。对于许多课程、领域,需要用艰苦的努力去研究它的来龙去脉,去打通其中每一步到下一步的推导,用自己亲身实践使得其中的内容能够为自己所用,并融会贯通。
其次,在大学阶段,可以有更丰富的眼界。周正介绍,导师陈焱的课题组每周有一次组会,会上组内的研究生做报告,通过报告便可以知道师兄师姐们都在研究哪些问题,目前领域内的热点在哪里。复旦大学物理学系每周也都会邀请国际、国内业内顶尖的教授来做讲座,称为“物质科学报告”,进入复旦以后周正经常有机会去参加这些报告,报告内容往往可以给他提供一些独特的视角。
最后,在大学阶段,周正得到了更多的锻炼。2016年暑假,导师陈焱提供给他一个接待意大利罗马大学访问的Varlamov教授的机会,并任其课程《生活中的物理学》的助教协助其授课、批改作业、帮助课程同学学习的机会。2017年暑假,周正参加了“复旦大学理论物理前沿暑期学校”学习并担任副班长,接待外国教授。这些不仅让他有与国外顶尖教授长时间一对一对话的机会,而且丰富了他的经验,使其在之后的学习中更加得心应手。
物理世界之奇妙常常令他叹为观止
未来,周正有志于做理论物理方面的研究,对于很多人来说,理论研究或许会觉得有些枯燥,可在周正的眼里,物理世界之奇妙常常令他叹为观止。周正举例说,他的主要研究方向是凝聚态理论,凝聚态物理的一位开山鼻祖P. Anderson有句非常著名的话即道出了这个领域的奇妙之一,叫做“More is Different”,遵循相同物理规律的一簇粒子,仅仅是粒子数目的增加,当达到1023左右量级时便呈现出与粒子数目少时迥然不同的特性,这是十分奇妙的。
物理学理论内在蕴含无限的美感。在学习前人的理论时,周正常常被理论形式之干练、内涵之丰富、结果之简洁所震撼到。面对令人手足无措、未能理解的新现象,这些理论往往基于极少的假设,通过数学的演绎,便能得出形式简洁而且与实验结果相符的结果,并能够推广应用到十分广泛的领域中。
经过繁杂研究得到成果后的喜悦是支持周正从事研究的动力之一。虽然他在研究过程中会遭遇到种种挫折,可是在得出结果那一刻,喜悦与成就感却是任何其他事物所难以比拟的。
周正目前的研究方向是量子Monte Carlo与量子相变方面。相变是凝聚态物理研究的核心对象之一,而量子相变理论建立能部分揭示出实验体系物理规律的理论模型,通过解析计算或是数值模拟来得到理论模型的行为,以此与实际材料作对照,解释并指导实验与应用,而其中量子Monte Carlo是一种十分重要的数值方法。周正目前在研究的题目是“量子耗散对横场Ising链相变类型及普适类影响的SSE方法研究”。
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