張金松：“掘金”量子物理
來源：科技日?qǐng)?bào) 2013-12-18 賈婧
■ 人物檔案：張金松，清華大學(xué)物理系2008級(jí)博士生。所在團(tuán)隊(duì)通過四年的不懈努力，在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)，相關(guān)成果以共同第一作者身份發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，被楊振寧先生稱為第一次在中國實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文。曾任物理系研究生會(huì)學(xué)術(shù)副主席，獲清華大學(xué)“學(xué)術(shù)新秀”、博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)等榮譽(yù)。2013年7月被評(píng)為清華大學(xué)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員。2013年8月榮獲第八屆中國青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。
坐在清華大學(xué)萬人食堂的咖啡廳里，張金松和來這里學(xué)習(xí)交談的學(xué)生們看似差別不大，瘦小的他，一身休閑裝扮，學(xué)生氣的金絲眼鏡搭配略顯羞澀，“學(xué)術(shù)牛人”就掩蓋在這樣低調(diào)的外在之下，這樣的他一不留神就會(huì)淹沒在校園無數(shù)個(gè)求學(xué)的身影當(dāng)中。張金松坦言，他險(xiǎn)些就成了碌碌人群中的一員，左右命運(yùn)的，除了那么一點(diǎn)點(diǎn)機(jī)遇之外，還有他一直堅(jiān)守著的一句話——“堅(jiān)持是一種精神，挑戰(zhàn)是一種信仰。”
當(dāng)張金松以第一作者的身份在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表了量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成果，被楊振寧稱贊為“中國實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的第一次諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文”、被評(píng)為清華大學(xué)“學(xué)術(shù)新秀”、榮獲第八屆中國青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)時(shí)，他剛滿28歲。
這一次，張金松終于讓楊振寧認(rèn)識(shí)了當(dāng)初茫茫眾生中，那個(gè)悶頭聽他講《普通物理》課的小伙子。
“小直覺”結(jié)緣物理學(xué)
“動(dòng)手”是張金松的強(qiáng)項(xiàng)，也許是來自于木工父親的遺傳，小時(shí)候的他像很多男孩子一樣愛“搞破壞”。家里的小物件他都會(huì)拆開來，好奇地看看里面到底是什么。他的手很巧，拿張紙，不一會(huì)兒就能折出小汽車和小飛機(jī)，有時(shí)候他也會(huì)買些零件，沉浸在自己組裝的快樂當(dāng)中，這樣的優(yōu)勢(shì)一直伴隨他進(jìn)入到了后來的學(xué)習(xí)中，本科時(shí)期他的學(xué)科成績雖然不是班中的佼佼者，但做起物理實(shí)驗(yàn)卻得心應(yīng)手，他把這稱為對(duì)物理的一點(diǎn)“小直覺”。
為什么選擇學(xué)物理，張金松似乎從未像現(xiàn)在這樣需要如此頻繁地思考和面對(duì)這個(gè)問題，但是實(shí)際情況就是，2004年考大學(xué)報(bào)志愿時(shí)，小學(xué)未畢業(yè)的父母并不能給他任何意見，張金松獨(dú)自一人坐在家中，拿著清華大學(xué)的招生簡章逐行讀給自己聽，最后選擇了這個(gè)自己擅長的學(xué)科，懵懂中，他踏入了物理學(xué)科的高級(jí)殿堂。
9年前的張金松作為一名物理系大一新生，坐在清華六教教室里聽楊振寧先生講《普通物理》時(shí)，還在問同學(xué)：“楊振寧是誰？”
雖然高考時(shí)選擇專業(yè)有點(diǎn)“稀里糊涂”，但在高手如云的清華大學(xué)，他卻絲毫不敢松懈。大學(xué)四年，所有的周末時(shí)間都是在自習(xí)室里度過的他，恐怕要讓很多的大學(xué)生驚嘆了。
“你不談戀愛嗎？不打游戲嗎？沒有業(yè)余愛好嗎？”面對(duì)記者的疑問，他的回答很簡單：“比起這些，我更喜歡學(xué)習(xí)。”帶著農(nóng)村孩子對(duì)家庭的責(zé)任感和一絲高中時(shí)期優(yōu)等生的小驕傲，張金松不能接受大一第一學(xué)期結(jié)束時(shí)，班級(jí)排名第20的現(xiàn)實(shí)。四年，近乎苛刻地自我要求，使他在畢業(yè)時(shí)在班級(jí)排名前進(jìn)到了第6名。
也許成功者從來都是孤獨(dú)的，本科四年的自習(xí)生涯，他從來都是來去一人，“堅(jiān)持”如同一種信仰始終伴隨著他。
“不服氣”走上科研路
“這個(gè)專業(yè)并不教授專門的職業(yè)技能，將來要么轉(zhuǎn)學(xué)其他方向，要么在科學(xué)研究上一直走下去。而與多數(shù)基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)一樣，物理專業(yè)畢業(yè)后很難讓他找到一份報(bào)酬豐厚的工作。”有這種想法時(shí)，張金松剛上大學(xué)二年級(jí)，看著周圍其他專業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)到大公司拿高薪的師哥師姐和生活拮據(jù)的爹媽，他動(dòng)搖了。
大三的暑假小學(xué)期，有意在讀研時(shí)換專業(yè)的張金松報(bào)名參加了自動(dòng)化專業(yè)的一個(gè)實(shí)習(xí)項(xiàng)目。自動(dòng)化是清華的王牌專業(yè)，就業(yè)一直強(qiáng)勁。然而在實(shí)習(xí)臨近結(jié)束時(shí)，張金松發(fā)現(xiàn)，指導(dǎo)老師連自己的名字都沒記住。
失落感讓張金松意識(shí)到，物理才是自己的專長和感情所在。大學(xué)三年下來，張金松成績一直名列前茅，順利獲得直博資格。就這么換專業(yè)？張金松第一次有了不服氣的念頭：“物理學(xué)了那么多年，就那么放棄，對(duì)得起自己嗎？”
當(dāng)他的心向物理學(xué)靠近時(shí)，幸運(yùn)之神也選擇了這個(gè)不服輸?shù)纳倌辏鮼営蘩蠋熁貒耍?zhǔn)備在清華物理系組建新的實(shí)驗(yàn)室。在美國期間，王亞愚由于在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的杰出工作，被授予凝聚態(tài)物理青年物理學(xué)家的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。
這一次，張金松沒有猶豫，拜在了王亞愚門下。
直博二年級(jí)時(shí)，張金松到美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期一年的交流學(xué)習(xí)。然而，美國導(dǎo)師對(duì)張金松并不重視，只是安排他做一些打雜之事。長時(shí)間的“悠閑”，讓一心想搞科研的張金松憋得發(fā)慌，美國導(dǎo)師的輕視，又一次激發(fā)了他心中的不服氣：“回國之后，一定要在科研上搞點(diǎn)名堂出來！”
2010年秋，急于回國參加科研項(xiàng)目的張金松，提前7天回國。回國之后，薛其坤院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)投入量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，王亞愚教授在其中擔(dān)任重要的輸運(yùn)測(cè)量工作。張金松沒有休整，立刻加入團(tuán)隊(duì)，終于開始了自己的科研之路。
“沉下心”享受美妙處
隨著量子物理的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)成為全世界科學(xué)家夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，這一次，張金松和團(tuán)隊(duì)成員一起，發(fā)起總攻。為了尋找和驗(yàn)證這一效應(yīng)，他和團(tuán)隊(duì)整整花了4年時(shí)間，測(cè)量了1000多個(gè)樣品，按照分工，張金松承擔(dān)了對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行精密測(cè)量的工作。對(duì)張金松來說，這可謂正中下懷。動(dòng)手能力強(qiáng)，是他在童年時(shí)就展現(xiàn)出來的特點(diǎn)。
張金松對(duì)物理的那點(diǎn)“小直覺”很快在實(shí)驗(yàn)中得以發(fā)揮。按照流程，在測(cè)量之前，樣品要先進(jìn)行復(fù)雜的電極鍍膜，為了省錢，項(xiàng)目組總要攢夠7、8個(gè)樣品再去鍍膜，而每個(gè)樣品的平均測(cè)量周期都要2天左右。兩個(gè)月后，張金松受不了了：“這也太慢了！”
張金松借鑒了別人用金屬銦做電極的方法。為此，他把一整塊銦像切土豆一樣，先切條再切塊，最后切成只有圓珠筆的圓珠大小的微粒。一番搗鼓之后，終于成功。實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量效率為之大幅提高，從以前的每周發(fā)送一次測(cè)量數(shù)據(jù)變?yōu)榱嗣刻於寄馨l(fā)送一次測(cè)量數(shù)據(jù)。張金松說：“我是一個(gè)非常務(wù)實(shí)的人，覺得用樣品加工得再漂亮，不夠快也是不好的。如果按照以前的效率，我們肯定不會(huì)這么快的得出最后的成果。”
“有時(shí)候就是這樣，為了一個(gè)突破，要花很長的時(shí)間。”他說，在這種枯燥的研究中，張金松也在享受著物理帶給他的美妙。“你能不能想象在一個(gè)特殊的材料里，里面的電子就像高速公路的汽車一樣沿著特定車道行駛，而不是像普通材料里的電子那樣雜亂無章。這樣如果應(yīng)用到電腦或者手機(jī)里，那運(yùn)行應(yīng)該會(huì)更快，產(chǎn)熱也會(huì)非常少。”
測(cè)量中，同伴們經(jīng)常能看到這樣一幕，張金松經(jīng)常貼在顯微鏡前，用牙簽把6粒銦粒準(zhǔn)確嵌到只有幾平方毫米大小的材料上。每每這時(shí)，張金松就屏住呼吸小心翼翼，“呼吸動(dòng)作一大，氣流就把材料吹跑了。”
在團(tuán)隊(duì)成員的共同努力下，歷經(jīng)4年，2012年10月15日，量子反常霍爾效應(yīng)的表現(xiàn)數(shù)據(jù)終于出現(xiàn)在儀器上。2013年3月15日，相關(guān)論文在美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，張金松為4名共同第一作者之一，楊振寧評(píng)價(jià)：“這是第一次從中國實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文。”
“迎挑戰(zhàn)”不做跟隨者
“她最為美妙的地方主要有兩點(diǎn)，第一，處于量子反常霍爾效應(yīng)的電子與普通材料中的電子相比，就好像是在高速公路上行駛的汽車一樣，互不干擾，高速運(yùn)行；第二，量子反常霍爾效應(yīng)的材料本身就是一個(gè)鐵磁體，因此不需要任何外加強(qiáng)磁場(chǎng)，就可以讓電子在高速公路上行駛，為這個(gè)應(yīng)用帶來了廣闊的前景。這意味著，量子反常霍爾效應(yīng)如果能夠在我們的日常生活中得到應(yīng)用，將很有可能開啟新一輪的科技革命。”談到量子反常霍爾效應(yīng)，他就像在談?wù)撟约旱膼廴艘粯诱Z調(diào)溫柔。
然而，他與量子反常霍爾效應(yīng)的這一段“感情路”卻坎坷遍布，包括物理在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，往往無法預(yù)期能獲得科研成果。“那時(shí)的迷茫，主要來自對(duì)未來的不確定。你并不知道花費(fèi)那么多時(shí)間，最后能不能得到想要的結(jié)果。”張金松說。實(shí)驗(yàn)中，曾有長達(dá)7個(gè)月的時(shí)間，大家每天制作材料、進(jìn)行測(cè)量，一天之內(nèi)就完成一個(gè)循環(huán)。然而，材料一個(gè)個(gè)淘汰，實(shí)驗(yàn)卻沒有取得任何進(jìn)展。
所有能想到的問題都已想到，所有能嘗試的方法都已嘗試，幾乎所有的學(xué)生都覺得不可能再干下去了。張金松說，那時(shí)大家甚至開始懷疑，量子反常霍爾效應(yīng)是否真的可以被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)？
關(guān)鍵時(shí)刻，團(tuán)隊(duì)帶頭人薛其坤說：“我們現(xiàn)在從事的實(shí)驗(yàn)工作是非常重要的，你們有可能發(fā)現(xiàn)從沒有人看到過的東西。要是看到了，這一輩子都值了；要是看不到，你們也能從中歷練、成長很多。”
隨后不久，同學(xué)的一次偶然對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣品表面在不覆蓋任何保護(hù)層時(shí)，量子反常霍爾效應(yīng)變得更加明顯。從此，實(shí)驗(yàn)取得重大突破。8月22日，站在中國青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)的發(fā)言臺(tái)上，張金松發(fā)表獲獎(jiǎng)感言：“做科學(xué)研究必須持之以恒，學(xué)會(huì)面對(duì)失敗，不輕言放棄！”
“剛開始做科研的時(shí)候，導(dǎo)師讓我干什么，我就干什么。現(xiàn)在，我們更傾向于主動(dòng)提出想法，主動(dòng)開拓思路，共同解決科研問題。”從被動(dòng)科研轉(zhuǎn)變成主動(dòng)科研，是張金松人生中的重要一步。
即將博士畢業(yè)的張金松，已經(jīng)聯(lián)系好了下一站——斯坦福大學(xué)。張金松說：“在量子反常霍爾效應(yīng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)上，我做的工作不是不可取代的，我的導(dǎo)師可以，師弟師妹也可以。”渴望獨(dú)立創(chuàng)新工作的他希望通過更多的項(xiàng)目來證實(shí)自己，“在一個(gè)項(xiàng)目上取得成績，可能會(huì)有些運(yùn)氣因素。但如果在很多的項(xiàng)目上都取得成績，那就真正說明了你的能力。”
