努力做國際一流的物理學(xué)研究——訪長江學(xué)者、上海交大錢冬教授

錢冬教授

因?yàn)槿脒x2015年度“長江學(xué)者”，錢冬，這位2010年的啟明星、上海交大天文與物理系教授開始為學(xué)術(shù)圈外人知道，《今日啟明星》專欄也因此有幸相約采訪。隨著采訪的深入，我有一種感覺，這是一個(gè)稱得上牛人的學(xué)者，找他找對(duì)了！盡管啟明星群體中牛人不少，但因?yàn)槊吭轮荒懿稍L一位的限制，使得很多牛人都錯(cuò)過了。因此找對(duì)人，聽到有意思的故事實(shí)在也是采訪者非常開心的事。

采訪那天氣溫較低，為方便我們，錢冬特地從交大閔行校區(qū)趕來徐家匯校區(qū)，我們之間的交談從一開始就很放開，可能主要是因?yàn)槭菃⒚餍菆?bào)道的緣故，錢冬完全不把我們當(dāng)外人，加上錢冬本人陽光、率真的秉性，所以采訪幾乎是在不間斷的情況下進(jìn)行的。

受教復(fù)旦名師，選擇物理為業(yè)

1977年出生的錢冬是浙江寧波鎮(zhèn)海人，其父母都是普通工人，由于家鄉(xiāng)素來有尊師重教的傳統(tǒng)，加上就讀的鎮(zhèn)海中學(xué)出過包括著名物理學(xué)家賀賢土在內(nèi)的三位院士（故該校有院士搖籃一稱），浸淫在這樣的氛圍中的錢冬高中畢業(yè)在選擇高考專業(yè)方向時(shí)就選了自然科學(xué)學(xué)科。錢冬說自己各科成績中數(shù)學(xué)成績最好，但他更喜歡與看得見摸得著的東西打交道，加上中學(xué)物理老師是復(fù)旦畢業(yè)的，所以就選擇報(bào)考復(fù)旦物理系。

1994年進(jìn)入復(fù)旦的錢冬趕上或者說見證了幾次大的教育教學(xué)變革。94年是復(fù)旦教改第一年，最大的變化是開始實(shí)行學(xué)分制，可以自主選課；很快又搞通識(shí)教育（那時(shí)的通識(shí)教育是除了專業(yè)課外可選修大量的人文課）；取消了班主任制；所有科目的考試成績只打A,B,C,D（以前是按百分制打分）；讓本科生盡早參與實(shí)驗(yàn)也是教改的一部分等等。受惠于此的錢冬三年級(jí)時(shí)就可以進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，第四年起就完全可以在實(shí)驗(yàn)室里跟著做研究的老師干活了。非常有幸的是錢冬從那時(shí)起一直到博士畢業(yè)就一直跟著金曉峰老師。

在錢冬眼里，金老師是一個(gè)對(duì)從事物理學(xué)基礎(chǔ)研究，對(duì)做學(xué)問極其認(rèn)真，有著近乎圣徒版虔誠和執(zhí)著的學(xué)者：“金老師對(duì)物理學(xué)發(fā)展的大勢非常清晰，一直要求我們想清楚所做的課題究竟要解決什么科學(xué)問題，而且對(duì)整個(gè)研究過程要求非常嚴(yán)苛。除了大方向的把握，金老師對(duì)于具體的實(shí)驗(yàn)過程是完全放手的?！边@種近乎職業(yè)科學(xué)家的訓(xùn)練讓錢冬等一眾學(xué)生非常受益，“這也是我們這批同學(xué)畢業(yè)后基本上都選擇物理學(xué)為業(yè)的原因”。錢冬回憶，當(dāng)時(shí)（2000年前后），復(fù)旦物理系在硬件設(shè)備上和國外差距很大，但是他們所做的課題的思路、科研方法和解決的問題與國際一流水平已在同一層次，“那時(shí)我們實(shí)驗(yàn)室研究的已經(jīng)是本領(lǐng)域最前沿的東西，如‘超薄薄膜磁學(xué)’，沒過幾年我們團(tuán)隊(duì)就在Physical Review Letters上發(fā)這方面的文章了”。

選擇強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理，喜歡接受挑戰(zhàn)

錢冬是博士讀到第二年時(shí)經(jīng)金老師推薦到德國馬普微結(jié)構(gòu)所——國際上磁學(xué)研究的重鎮(zhèn)去進(jìn)修。馬普所的博士生管理是徹底放羊式的，導(dǎo)師完全放手，就看學(xué)生怎么做。由于錢冬在復(fù)旦已經(jīng)適應(yīng)了這種科研模式，所以很快就融入了馬普的環(huán)境，做出了非常優(yōu)秀的工作。在德國呆了一年后錢冬回復(fù)旦并在2003年1月博士畢業(yè)后去了普林斯頓大學(xué)物理系做了3年的博后加2年多的研究學(xué)者工作，也正是在這段時(shí)間錢冬開始了自己第一次重大的學(xué)術(shù)轉(zhuǎn)向。錢冬到了普林斯頓后就選擇了一個(gè)名為“強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理”的新方向。

之所以轉(zhuǎn)向這個(gè)方向，錢冬說因?yàn)檫@是挑戰(zhàn)性更大的新物理研究領(lǐng)域：“強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理是一類到現(xiàn)在為止都沒有明確的物理模型來解釋的、人們對(duì)其了解也相對(duì)較少的凝聚態(tài)系統(tǒng)（金屬氧化物是其代表）。我就是沖著這是更具吸引力，更有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域而去的”。

錢冬對(duì)什么是強(qiáng)相關(guān)物理做了一番盡可能科普的解釋：所謂強(qiáng)相關(guān)是把電荷、自旋、軌道、晶格等等物理的自由度（變量）都綁定在一起，這樣就能互相影響。理論上所有這些綁定相互之間的效應(yīng)是可以利用的。如改變電荷的分布來改變磁距的分布，從而改變磁場，簡單而言就是用電來控制磁場，而傳統(tǒng)理論是磁距的變化是由磁場決定的。未來在這樣的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中，就可能用電控制磁場，這樣就可以把器件做的非常小，從而大大提高器件的集成度及運(yùn)行速度。

錢冬說正因?yàn)椤皬?qiáng)關(guān)聯(lián)物理”難，故此吸引了國際上最頂尖的物理學(xué)家，而且人數(shù)不少，中國也是一樣。復(fù)旦現(xiàn)在最具代表性的如封東來，國際級(jí)知名學(xué)者沈志勛、張首晟等都在做強(qiáng)相關(guān)物理。

錢冬以高溫超導(dǎo)為例進(jìn)一步作了闡釋：高溫超導(dǎo)就是一個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，盡管到現(xiàn)在為止在物理上還沒有解釋清楚為什么是高溫超導(dǎo)，但探索過程本身就促進(jìn)了對(duì)金屬氧化物的理解，促成了很多階段性成果。

在錢冬看來，強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理既是有待探究的新物理門類，又是會(huì)開啟無數(shù)應(yīng)用可能的發(fā)明之源頭，所以才那么別有魅力。

普林斯頓奠根基，結(jié)緣拓?fù)浣^緣體

話題回到普林斯頓大學(xué)的研究生涯。錢冬在這所世界知名學(xué)府呆了5年多。前三年主要經(jīng)歷是強(qiáng)相關(guān)物理，后二年開始進(jìn)入拓?fù)浣^緣體（普林斯頓是這個(gè)方向?qū)嶒?yàn)研究的開拓者之一）。普林斯頓大學(xué)給錢冬的最深印象還是其濃厚的學(xué)術(shù)氛圍：“那里科研力量主要由博士后+博士生+老師構(gòu)成，研究生遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于本科生，其中來自美國以外的學(xué)生有一半以上。那里的博士生都非常優(yōu)秀。所有來自不同專業(yè)領(lǐng)域的老師對(duì)大家做的東西都很感興趣，如粒子物理領(lǐng)域的人的報(bào)告，其他不相關(guān)的領(lǐng)域的老師都會(huì)來聽?！薄澳抢锏目蒲腥藛T花在評(píng)獎(jiǎng)、評(píng)審上的時(shí)間很少，研究上的時(shí)間比我們多。他們也要申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，但是好的教授一旦申請(qǐng)到了經(jīng)費(fèi)會(huì)持續(xù)地得到后續(xù)資助”。

讓錢冬感觸最深的是，普林斯頓大學(xué)能吸引到世界上最好的博士后。在美國博士后是最主要的研究力量，全世界最好的博士大都會(huì)選擇到普林斯頓大學(xué)等一批美國最好的學(xué)府做博士后研究，這是美國一直在科學(xué)上能保持競爭力的核心要素之一?！跋啾戎?，國內(nèi)現(xiàn)在最缺的就是一大批優(yōu)秀的博士后。當(dāng)然這也與我們現(xiàn)在很多大學(xué)招年輕老師要求有國外經(jīng)歷有關(guān)”。

錢冬以上談到他在普林斯頓的后二年轉(zhuǎn)向拓?fù)浣^緣體方向，是因?yàn)樗诘钠樟炙诡D研究組在研究強(qiáng)相關(guān)物理時(shí)所用的實(shí)驗(yàn)方法后來知道是最適合做拓?fù)浣^緣體的。而進(jìn)入拓?fù)浣^緣體對(duì)錢冬來說實(shí)驗(yàn)難度反而降低不少，因?yàn)橥負(fù)浣^緣體是可以通過實(shí)驗(yàn)明確驗(yàn)證的。

強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的事還沒有完，現(xiàn)在又出來一個(gè)“拓?fù)浣^緣體”，我趕緊讓錢冬暫停打住，先給我們普及下何謂拓?fù)浣^緣體。以下是錢博士的表述：拓?fù)浣^緣體是對(duì)絕緣體的一種新的認(rèn)識(shí)。2006年開始發(fā)現(xiàn)它是一種特殊的半導(dǎo)體，即體內(nèi)絕緣，而其邊緣存在導(dǎo)電通道，且這種通道無法去除。讓研究者砰然心動(dòng)的是：這種拓?fù)浣^緣體居然可以做到在100%導(dǎo)電的情況下完全不發(fā)熱。拓?fù)浣^緣體實(shí)際上是引出了一種既能導(dǎo)電又不發(fā)熱的物理可實(shí)現(xiàn)性，這是令物理學(xué)界非常感興趣的效果。至于為什么要冠以“拓?fù)洹币辉~，錢冬說那是借用數(shù)學(xué)術(shù)語，用來描述固體系統(tǒng)中波函數(shù)的特征，物理上原本有拓?fù)淞孔討B(tài)一說的。

錢冬告知，盡管難度略有降低，但在新物理特征和價(jià)值的重要性上，拓?fù)浣^緣體與強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理難分伯仲。錢冬是2007年進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域開始做三維拓?fù)浣^緣體，這一年拓?fù)浣^緣體開始走向世界一些主要的實(shí)驗(yàn)室。不多久，錢冬所在的普林斯頓實(shí)驗(yàn)室就在Nature上刊發(fā)了三維拓?fù)浣^緣體的第一篇文章（錢冬是第二作者）?！?007年時(shí)我們的工作就證明拓?fù)浣^緣體的理論是成立的，而且找到了第一種三維的拓?fù)浣^緣體材料BiSb（兩種元素的合金）。之前，BiSb合金是作為一種一直存在的熱電材料，但物理上大家不知道可以用這種方法來描述，也完全不知道其特殊的應(yīng)用可能性”。目前最理想的三維拓?fù)浣^緣體Bi2Se3（三硒化二鉍）方面的工作是2008年錢冬所在的普林斯頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的，相關(guān)工作在2009年發(fā)表。

長聘交大，做世界最好物理學(xué)研究

錢冬是2009年回國的?；貒埃鹄蠋煆?qiáng)烈推薦他去上海交通大學(xué)張杰校長領(lǐng)銜的物理系（當(dāng)時(shí)還叫應(yīng)用物理系，09年改為物理系，之后又改稱物理與天文系）。到交大后，錢冬一直用心于二維拓?fù)浣^緣體，試圖尋找新的、體內(nèi)不導(dǎo)電、邊緣導(dǎo)電的材料。終于在2012年和2015年找到了可以用來制成厚度只有兩層原子薄膜的材料。盡管現(xiàn)在談?wù)撈骷€太過遙遠(yuǎn)，但是理論上這種傳輸效率更高、能量幾乎不消散的器件是存在的：“這還僅僅是其中一種應(yīng)用。另一種可能的應(yīng)用是利用電子傳輸過程中的自旋極化效應(yīng)，因?yàn)樽孕齻鬏斠彩遣缓纳?、不改變信息的，所以這種特性在自旋流的產(chǎn)生和自旋電子學(xué)中都是很有價(jià)值的，不發(fā)熱是因?yàn)橛米孕齺韨鬏斝畔?，而非用電荷的方法。理論上拓?fù)浣^緣體可以用于能量無損耗的電荷傳輸，錢冬當(dāng)然很清醒，這種理論上的可能到應(yīng)用還有很長的路要走。

錢冬說盡管二維拓?fù)浣^緣體是他現(xiàn)在的重點(diǎn)課題，但是強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理依然是他的興趣所在。在錢冬看來，“中國自然科學(xué)與國際水平最接近的是物理學(xué)，而在物理學(xué)領(lǐng)域和國際水平大規(guī)模接近的是凝聚態(tài)物理，所以這個(gè)領(lǐng)域從來就是跨國界的、全球性的”。作為聽者的我覺得敢于說出這樣多少有點(diǎn)霸氣話的人是真的有足夠自信的。

話題回到錢冬這次入選長江學(xué)者計(jì)劃和前兩年獲得交大長聘教授上。聽聞交大物理系是試點(diǎn)，即完全參照國際一流大學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)聘教授，這其中到底難度在哪里？2014年獲聘上海交大長聘序列教授職稱的錢冬如是介紹：交大物理系在這個(gè)問題上做得比較徹底，現(xiàn)在采取的是跟美國一樣的制度，即非在國外名校做過博后而且進(jìn)入“青年千人”計(jì)劃的基本上沒有可能作為教研人員入職交大。入職后一般是從副教授開始，但是這個(gè)副教授是有期限的。6年后如果在系內(nèi)投票未通過，則會(huì)被解聘。投票是指國內(nèi)外該學(xué)科領(lǐng)域一流學(xué)校或者研究所的教授或者研究員寫推薦信與系內(nèi)老師投票相結(jié)合。投票通過，才有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)為終身副教授。錢冬說，按現(xiàn)在的制度，只有評(píng)上“杰青”或“長江”才能確保成為長聘正教授。錢冬覺得這個(gè)機(jī)制帶來的好處之一是能真的做到優(yōu)勝劣汰，如此可以不斷地吸收新鮮力量。這個(gè)機(jī)制對(duì)于科研來說，至少就美國這些年實(shí)踐的效果還是比較好的模式。但由此帶來的一個(gè)“副作用”是年輕教師普遍覺得“壓力山大”。

作為過來人，錢冬很能理解新進(jìn)老師的壓力。但他想表達(dá)的意思是：要把物理學(xué)做好，必須絕頂聰明，極端努力，而且要能靜的下來，同時(shí)還要對(duì)物理真的感興趣。否則會(huì)很痛苦。

此次對(duì)錢冬教授的采訪讓我感覺收獲頗豐，大致了解了什么是強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理和拓?fù)浣^緣體，知道了在上海復(fù)旦、交大有一批凝聚態(tài)物理學(xué)家正在做的研究工作是可以與國際一流實(shí)驗(yàn)室比肩而不遜于別人的，當(dāng)然我也因此多了一位優(yōu)秀的啟明星朋友，一位充滿自信陽光的交大教授。

[江世亮、顧姚星采寫于2016.2.12]