“即使是萬億分之一秒的時間尺度，借由那一束激光帶來的光亮，我們率先窺探到自然的一個小秘密，滿足一下好奇心，就很美好了！”近日，清華大學(xué)教授周樹云憑借其在周期光場驅(qū)動的光致新奇物態(tài)調(diào)控方面的成果榮獲第六屆“科學(xué)探索獎”，在頒獎現(xiàn)場，她動情地講述心目中的物理之美。
與物理結(jié)緣，在科學(xué)秘境中探險
從高中時代起，周樹云就對物理很感興趣，并對力學(xué)、電學(xué)等看不見、摸不著卻又與生活息息相關(guān)的東西有著強烈的好奇心。高考報名時，她按照錄取的難易程度報了幾個專業(yè)，其中包括“現(xiàn)代應(yīng)用物理”。“很多同學(xué)是奔著‘應(yīng)用’二字來的，結(jié)果入學(xué)第二年，‘現(xiàn)代應(yīng)用物理系’改名為‘物理系’。”周樹云笑著回憶道。
大三那年，中國科學(xué)院院士朱邦芬老師第一次在清華大學(xué)開設(shè)了《固體物理》課程。“我覺得固體物理還是挺有意思的，于是鼓起勇氣跟朱老師說希望跟他做點研究。”周樹云向中國婦女報全媒體記者介紹，在朱邦芬老師的指導(dǎo)下，她寫了近千行的Fortran程序（一種編程語言），用力常數(shù)模型去探究碳納米管聲子譜的同位素效應(yīng)。
其間，周樹云遇到了計算結(jié)果跟參考文獻不完全一致等諸多困難。盡管被各種技術(shù)細節(jié)問題困擾，暫時也沒有找到解決問題的辦法，但那段經(jīng)歷卻讓她對凝聚態(tài)物理研究有了一定的了解，并產(chǎn)生了濃厚的興趣。
“凝聚態(tài)物理研究的是材料中的物理，與當今的信息技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。”周樹云介紹，“現(xiàn)在計算機的發(fā)展進步得益于對硅半導(dǎo)體的應(yīng)用開發(fā)，我們的研究就是希望能研制出更好的材料去推動信息技術(shù)的發(fā)展進步。新型二維材料在這方面具有重大潛力，深入理解其中的基礎(chǔ)物理將有助于找到性能更加優(yōu)異的材料，使其在未來發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。”
勇闖無人區(qū)，向極微觀領(lǐng)域拓展邊界
低維量子材料包括碳納米管、石墨烯、過渡金屬硫族化合物等，以其新奇的物理特性和全新的器件應(yīng)用而廣受關(guān)注。例如，相比于石墨的三維立體結(jié)構(gòu)而言，石墨烯以其單原子級厚度可以被視作“二維”這樣的低維材料，其中的電子結(jié)構(gòu)也會因為維度的降低而發(fā)生劇烈的變化。周樹云的研究，正是要探索二維材料及拓撲材料的非平衡態(tài)超快動力學(xué)和光致新奇物理效應(yīng)，尤其是致力于實現(xiàn)周期光場驅(qū)動的瞬時能帶調(diào)控和瞬態(tài)相變。
“1秒的1/60，是人眼的時間分辨率；0.1納秒，是5G赫茲網(wǎng)絡(luò)傳輸一個字節(jié)所需的時間；但今天，我要講的是更短的時間尺度，十的負十二次方秒，萬億分之一秒。”周樹云說，在這樣的時間尺度上，探索用光來調(diào)控固體材料的物理性質(zhì)，改造它的“基因”。
在非平衡態(tài)超快動力學(xué)和瞬時物態(tài)調(diào)控研究中，一個備受關(guān)注的重要研究方向是通過周期振蕩的勢場誘導(dǎo)量子物態(tài)的變化，進而實現(xiàn)對其電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，該方案被稱為弗洛凱調(diào)控。
去年，周樹云團隊首次在半導(dǎo)體材料黑磷中實現(xiàn)弗洛凱瞬時能帶調(diào)控，并發(fā)現(xiàn)獨特的光學(xué)選擇定則，為調(diào)控材料性質(zhì)、開發(fā)新型器件奠定了堅實基礎(chǔ)。
目前，國際上這方面的研究備受關(guān)注。周樹云團隊希望弗洛凱能帶工程可以在更加廣泛的材料體系中被實現(xiàn)，從而為更加自由地調(diào)控材料的性質(zhì)提供一種新的途徑。“想象一下，用一個萬億分之一秒分辨率的攝像機，拍攝電子在材料中跳舞的‘電影’，那是多么神奇。如果我們能用飛秒脈沖激光去調(diào)控材料的物理性質(zhì)，我們就有希望實現(xiàn)更高速度的器件。”提起物理，周樹云的雙眼滿是星光。
閱盡千帆，基礎(chǔ)研究中收獲滿足
“‘科學(xué)探索獎’注重原創(chuàng)，注重拓展知識的邊界，獲得這個獎是一份特殊的榮譽，是對我們前期研究工作的認可，也是對我們進一步探索前沿基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的鼓勵和期待。”站在第六屆“科學(xué)探索獎”的頒獎典禮，來自舞臺的一束光似乎照亮了周樹云在科研領(lǐng)域不斷前行的路。
據(jù)介紹，“科學(xué)探索獎”設(shè)立于2018年，是一項由新基石科學(xué)基金會出資、科學(xué)家主導(dǎo)的人才遴選公益獎項。每年，它會遴選不超過50名青年科學(xué)家，每人在5年內(nèi)可獲得300萬元獎金，用于自主展開科學(xué)研究。
在自主展開科學(xué)研究的20余年，周樹云不斷更新對物理研究的認識，在點滴積累中發(fā)現(xiàn)物理之美。“上大學(xué)的時候只覺得大家都比較關(guān)注‘應(yīng)用’，其實不太清楚‘物理’究竟是要做什么。”周樹云進一步解釋，基礎(chǔ)研究不一定在最開始就被認為是有用的，但她長期埋頭于基礎(chǔ)研究后，逐漸發(fā)現(xiàn)了其中的樂趣，并且，她意識到基礎(chǔ)研究的成果對科學(xué)發(fā)展蘊藏著巨大的價值，“從這個意義上講，我們努力拓展知識的邊界、不斷創(chuàng)新科學(xué)的前沿十分重要。”
在科研領(lǐng)域中遇到各種各樣的困難和挫折，周樹云始終以坦然樂觀的心態(tài)面對：“畢竟探索的是無人區(qū)，總會遇到?jīng)]有頭緒的時刻，一旦想到辦法跨過這些坎坷，就會發(fā)現(xiàn)自然界中還有如此神奇的事情，這種窺得自然奧秘的滿足感值得大家不斷努力探索。”
不懼挑戰(zhàn)，持之以恒終有所得
作為本屆“科學(xué)探索獎”7名女性獲獎?wù)咧唬軜湓埔苍?jīng)歷過比較忙碌、辛苦的日子。在那段日子，她心中反而更明確了兩件事：盡管工作如此繁忙和疲憊，但從未想過放棄，這讓她確信自己對科研的熱愛是源自內(nèi)心的；再者，既然能夠挺過如此艱難的時刻，她相信未來沒有什么困難是不可克服的。
就像她在Nature雜志人物專欄中讀到過的許多科學(xué)家的故事一樣，每個人都可能遇到困難，但只要堅持不懈，就能不斷成長和進步。做科研就要有不怕困難的精神，教學(xué)中她常常用來鼓勵學(xué)生的話是：“登過3000米的山峰，再看到2000米時就不會感到恐懼。”
2022年年底，周樹云回到清華10年整，她終于和合作者第一次實現(xiàn)了飛秒脈沖激光對半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控，調(diào)控的時間尺度是十萬億分之一秒。曾經(jīng)以為遙不可及、近乎科幻的奇跡，那一刻如此清晰地呈現(xiàn)在她的面前。
在“科學(xué)探索獎”頒獎典禮上，周樹云談到對未來的展望：“在更快、更強、更小的尺度上探索材料的秘密，是期盼，也是責(zé)任，希望我們的每一個小進展都能為超快科學(xué)領(lǐng)域帶來鼓舞和推動。”
編輯：李華山
