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在實(shí)驗(yàn)室，一加一遠(yuǎn)大于二。”采訪過(guò)程中，丁洪始終在強(qiáng)調(diào)“眾包”二字，他認(rèn)為現(xiàn)在做科研靠一個(gè)人甚至靠一個(gè)小組的力量是不夠的，當(dāng)有重要任務(wù)目標(biāo)時(shí)，要依靠幾個(gè)小組共同攜手。

近日，中科院物理所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家丁洪及其合作者共同完成的兩篇有關(guān)外爾費(fèi)米子發(fā)現(xiàn)的文章在國(guó)際科學(xué)刊物上公開(kāi)發(fā)表，從而正式宣告了此前鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)外爾費(fèi)米子“發(fā)現(xiàn)之爭(zhēng)”塵埃落定。

外爾費(fèi)米子，是當(dāng)今凝聚態(tài)物理最前沿的研究對(duì)象之一，也是世界各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相追逐的目標(biāo)。不久前，中科院物理所為主的中國(guó)科學(xué)家首次通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種 半金屬，也是中國(guó)科學(xué)家首次通過(guò)角分辨光電子能譜發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子的存在。而普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家扎伊德·哈桑領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)也宣稱他們首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在外爾 半金屬中造出了外爾費(fèi)米子。

外爾費(fèi)米子，究竟是我國(guó)科學(xué)家最先發(fā)現(xiàn)，還是扎伊德·哈桑團(tuán)隊(duì)先發(fā)制人，這場(chǎng)“歸屬”之爭(zhēng)隨著丁洪團(tuán)隊(duì)兩篇論文的發(fā)布幾近平息。用丁洪教授自己的話說(shuō)：“中國(guó)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)與美國(guó)科學(xué)家是獨(dú)立且?guī)缀跬瑫r(shí)的。”

三位一體，獨(dú)立完成

“為什么這樣迫切，因?yàn)槲覀兒茉缇驼J(rèn)識(shí)到它的重要性，并在發(fā)現(xiàn)過(guò)程中感覺(jué)到了國(guó)際同行也在行動(dòng)，所以我們必須去競(jìng)賽。”丁洪這樣解釋團(tuán)隊(duì)的行動(dòng)初衷。

在物理學(xué)界，一個(gè)通過(guò)理論推導(dǎo)和公式推算得出的結(jié)論，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能成為國(guó)際公認(rèn)的事實(shí)。方忠、陳根富、丁洪，北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的三名科學(xué) 家，分別領(lǐng)導(dǎo)自己的研究小組從理論、材料、實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)入手，共同發(fā)現(xiàn)了具有真正意義的外爾半金屬材料，并通過(guò)精確實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了外爾費(fèi)米子的存在。

“缺了哪一個(gè)環(huán)節(jié)，外爾費(fèi)米子都不可能被成功發(fā)現(xiàn)，這是中國(guó)科學(xué)家通力合作的結(jié)果。”丁洪教授自豪地說(shuō)。三個(gè)環(huán)節(jié)，三位一體，環(huán)環(huán)相扣，宛如一個(gè)不可分割的整體，堅(jiān)不可摧地攻破了這項(xiàng)困擾世界物理學(xué)界八十余年的難題。

只爭(zhēng)朝夕，無(wú)愧使命

當(dāng)問(wèn)及實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)是如何與時(shí)間賽跑，馬不停蹄與國(guó)外同行“競(jìng)賽”時(shí)，丁洪教授頗有感觸地說(shuō)：“我們每個(gè)人都是在夜以繼日地做工作，就是要趕在國(guó)外同行之前出結(jié)果。”

早在2013年9月，方忠、戴希小組副研究員翁紅明就意識(shí)到TaAs家族很可能是新的外爾半金屬。與先前的理論預(yù)言相比，這類材料可以自然合成，不需要嚴(yán) 苛的外加條件的調(diào)控就可以實(shí)現(xiàn)外爾半金屬態(tài)，有利于實(shí)驗(yàn)證實(shí)。2014年夏天，理論小組對(duì)TaAs中可能存在外爾半金屬態(tài)進(jìn)行的嚴(yán)格理論證明獲得突破。陳 根富小組隨即開(kāi)始了材料制備的工作。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，陳根富小組克服了重重困難，終于成功生長(zhǎng)出TaAs系列的單晶樣品。

2014年10月，丁洪負(fù)責(zé)在上海光源建設(shè)的“夢(mèng)之線”通過(guò)了工藝驗(yàn)收，開(kāi)始試運(yùn)行階段。他的博士生呂佰晴開(kāi)始對(duì)TaAs樣品進(jìn)行ARPES測(cè)量。由于剛 開(kāi)始制備出的單晶樣品非常小，失敗率非常高。呂佰晴在嘗試了幾十塊樣品之后，經(jīng)過(guò)不懈努力，終于成功解理出一塊平整的表面，獲得了初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而這 時(shí)，陳根富小組隨后摸索出了更加合適的樣品生長(zhǎng)條件，制備出大尺寸的高質(zhì)量TaAs單晶樣品。

2015年1月初，丁洪小組副研究員錢(qián)天與呂佰晴一起對(duì)TaAs的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)量。樣品質(zhì)量的提高加之實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)力量的加強(qiáng)，此后的實(shí)驗(yàn)非常順 利，在一周之內(nèi)就得到了大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上找到了費(fèi)米弧存在的確定證據(jù)。隨后，呂佰晴去瑞士光源測(cè)量到TaAs體態(tài)外爾錐形電子結(jié)構(gòu)，提供了進(jìn) 一步的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。與此同時(shí)，陳根富小組通過(guò)精確的電輸運(yùn)測(cè)量，首次在TaAs單晶中觀測(cè)到了由手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)，進(jìn)一步從輸運(yùn)的角度證明了外爾費(fèi) 米子的存在。至此，實(shí)驗(yàn)室的三個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，理論預(yù)測(cè)、材料制備、電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)測(cè)量緊密結(jié)合，首次證實(shí)了外爾半金屬的存在。

依靠眾包，團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)

據(jù)了解，北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的主要研究對(duì)象涉及超導(dǎo)、磁學(xué)、表面科學(xué)、光學(xué)、先進(jìn)材料、極端條件物理、納米科學(xué)、軟物質(zhì)、固態(tài)量子信息和凝聚態(tài)理論與計(jì)算等領(lǐng)域。

北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科研人員此次對(duì)外爾半金屬的重要發(fā)現(xiàn)，在世界物理學(xué)界具有里程碑的意義。

“在實(shí)驗(yàn)室，一加一遠(yuǎn)大于二。”采訪過(guò)程中，丁洪教授始終在強(qiáng)調(diào)“眾包”二字。他認(rèn)為現(xiàn)在做科研靠一個(gè)人甚至靠一個(gè)小組的力量是不夠的，當(dāng)有重要任務(wù)目標(biāo) 時(shí)，要依靠幾個(gè)小組共同攜手。他同時(shí)指出凝聚態(tài)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室無(wú)論是對(duì)外爾半金屬的發(fā)現(xiàn)還是在整個(gè)拓?fù)洳牧项I(lǐng)域之所以能走在世界前列，根本原因在于其理論、樣 品、實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，這是整個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)力的彰顯，“未來(lái)實(shí)驗(yàn)室還要憑借‘眾包’理念來(lái)完成其他的未知任務(wù)。”丁洪說(shuō)，“毫不夸張，此次外爾費(fèi)米子的成 功發(fā)現(xiàn)是我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)力的體現(xiàn)。”