​量子材料长出来了!这个工作日,跟她在李政道研究所上班
2022-10-17 09:59:14

“出发,全程36公里,大约需要1小时10分。”电动车的导航提示着钟瑞丹。这个“准90后”海归科学家,驾车从闵行家中驶向位于张江的李政道研究所,开始了她在李所的一个寻常工作日。

开车这一路,尽管会堵车,却是她一天里最放空自我的时间。“当我在车上时,既不属于家庭,也不属于工作,可以听听音乐,心情很放松……”钟瑞丹笑着说。不仅在家带着5岁的女儿,在所带着3个硕博研究生,她还要亲手在试管里培养“材料种子”,生长出晶状的量子材料,探秘个中神奇。

09:30AM@李所大楼

“我在美国求学、工作了将近十年,当时归还是不归,是一个很艰难的抉择。”2020年11月,钟瑞丹从普林斯顿大学加入成立不久的上海交通大学李政道研究所,成为量子基础科学研究部的“李政道学者”。她坦言,当时意识到西方学术界虽有百年积累,但制度日益僵化,处事古板,缺乏活力;相反,中国蓬勃发展的势头、丰富多样的资源,以及自由活跃的学术环境深深地吸引了自己。“既然西方式微,东方渐明,为何不回到我自己的祖国,施展拳脚,实现抱负呢?”

钟瑞丹从东南大学材料专业毕业,赴美留学攻读博士学位,完成博士后研究,并且遇上爱人,结婚生娃。回到中国,原本在美工作的丈夫或许“牺牲”更大。“现在老公在国内公司,做新能源电池,常常出差,比我还忙,”这个年轻的妈妈说,“上户口、办入学、买房买车都是自己张罗,生活琐事就主要靠双方父母帮忙料理了……”

车子行驶在虹梅高架上,距离交大闵行校区不远。钟瑞丹想起校园里有一句标语,写的是“祖国终将选择那些选择了祖国的人”。“每次看到这句话,我都会备受鼓舞,越发觉得当时回国的决定是对的。”

说话间,殷军路上一处张江新地标,出现在钟瑞丹车前——李政道研究所到了。平行的南楼、北楼,仿佛一双中国筷子,中间夹着一个球形大厅,这就是工字型的李所实验楼主体。

李所的外墙写着:TDLI,这是以李政道(Tsung-Dao Lee)命名并以他为名誉所长的新型研发机构。31岁成为华人诺奖得主,现年96岁的李政道先生,曾多次说:奠基量子论的玻尔研究所在引领世界科学发展进步方面,发挥了巨大作用;面向未来,中国也应该更加重视基础研究,以期为中国创新型发展和世界科学发展做出独特贡献。

李所现任所长张杰院士,曾任上海交大校长、中科院副院长。他说,2014年,李政道先生委托他将其亲笔信转呈习近平总书记,建议在上海交大建立一个国际化研究所,对标1920年代的玻尔研究所,从事暗物质和暗能量的研究,寻找宇宙中极大和极小间的关联,最基本最深刻的相互作用规律。“李先生的建议得到了习总书记的支持。”

10:45AM@实验室

沿着球形大厅的环形廊道上行,钟瑞丹走进李所二层,她的新型量子材料实验室就在北楼202室。从本科、硕士到博士,她的专业方向从土木到物理再到化学,经过交叉融合,基本聚焦在材料领域基础研究。

取下门口挂着的“白大褂”披上身,胸前印制着一行英文蓝字:Zhong Lab(钟氏实验室)。目前,她带教着两名硕士研究生,以及一位今年尚在入学报到的博士研究生。李勇伟和杜红已经穿戴好一身装备,按照老师前一天布置的任务,在实验室操作开来。

“你这次放了多少锰?”“总共是两克。”“感觉左边第一根试管漏了,那个氧化成氧化锰了。”“变绿了是吸水了,管子完全干净反而说明失败了。”在各式各样的“炉子”前,钟瑞丹和学生们边讨论边检查。有意思的是,由于电炉数量太多,为了方便指代,学生们给机器取了昵称,用记号笔写在它们身上:比如天线宝宝“迪西”“丁丁”、绿巨人“浩克”以及日本科幻动漫角色“AKIRA”等。

经过外人看来像炼丹一样的过程,这些他们设计并合成的厘米级磁性量子材料,被装在微小的“培养皿”中。实验柜里满是这样的晶体单品,盖子上标着各色成分与记号。可能不存在于自然界的新型材料,蕴含了钟瑞丹揭秘量子材料“反常”量子特性的微观世界。

她用总喜欢表达不同意见的“杠精”打比方:通常,普通的反铁磁材料,磁性原子就如同一个个“杠精”,左右左右地有序交替排列;但经过其设计的量子材料,其内部的磁性原子处于特殊的晶格中,就如3个“杠精”,一个要向左、另一个就向右——那么,第三个“杠精”就变得无所适从,最终他们无法形成有序排列,从而形成磁阻挫,使得材料在宏观上展现出奇异性能。

那么,这样不按常理出牌的新型量子材料有什么用呢?钟瑞丹解释说,就像100多年前,当玻尔在研究氢原子结构时,他也没有想过发展出量子力学。她直言,如果没有量子力学,从电脑到手机,我们使用的这些电子产品或许都不可能存在。因此,在21世纪初期,其实并不知道眼下所做的这件事对未来社会到底有什么样的影响,但就是这样看似“无用”基础研究才是之后科技发展的基础。

14:30PM@会议室

从回邮件、看文献到开小会,钟瑞丹在“北楼652”她的小办公室处理好各种例行事务,与同为李政道学者的同事吴建达一起,为南京大学来沪的闻海虎教授接风。这位超导研究领域的国际顶尖实验物理学家,受李所之邀在此开设超导专题系列讲座,连开5天。

中午,在挂着李政道先生多幅科艺结合画作的底楼食堂,他们3人边吃边聊。此时,全所各个课题组成员也陆续前来用餐,其中不乏围坐在一起的美国、日本、马来西亚、澳大利亚等国的老外科学家们。

饭后,他们拾级而上,绕着球形大厅的环廊“走圈”,直到顶层6楼。在配有咖啡机的公共空间,背靠着各地科学家、艺术家创作的科艺画墙,国际国内学者们闲坐叙谈,无界交流。从工作到生活,从天地到万物,他们碰擦着灵感的火花……

13:30分,闻海虎教授的全英文讲座正式开始,师生们自发坐进会议室,聆听并互动,结果讲座比预期时间延长了半个多小时。这一系列授课,通过线上直播,还吸引各校师生听众逾1万人次。

说起超导材料,钟瑞丹毫不避讳地谈及失败。她认为,往往费了很多事、试了很多次,终于把材料在实验室里合成出来,结果却发现它不是超导材料,或者没有预想的那种性能,“这是非常非常常见,概率很大的。”她坦言,“所以我们的探索需要在正确的直觉上,把量给堆上来,总会有一些成功可能性,运气当然是一方面,实力也是另外一方面。”

“对我们的考核几乎是没有的。”好在长聘教轨阶段,钟瑞丹没有什么硬性指标“下压”。“比如我做了100次尝试,可能在做前99次时都是失败的。”她自信地说,“但如果再等几年再给我一些时间,我第100次尝试的结果或许就会是一个很重要的大发现。”

李所创始所长、现任首席科学家的弗朗克·维尔切克(Frank Wilczek),与李政道一样也是诺贝尔物理学奖得主,与钟瑞丹一样曾在普林斯顿大学从研,现在同属量子基础科学研究部。在这位美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士眼中,李所已经非常国际化,它的运行机制和模式与他所了解的任何一家中国的传统机构都不一样。“我们希望借鉴全球知名研究机构、实验室的一些做法,在李所营造一种自由的创新氛围,使人才的价值最大化。”

17:00PM@实验室

当天,钟瑞丹再次去往实验室,不过这一次更多是作为一个非实验人员。因为她的套间式实验室,外间还留着很大空白“建设中”。她打开手机查询网上订货和配送进度,将前台收到的快递带回实验室。这一次,是一台新到货的“低速金刚石电锯”。

钟瑞丹变身为手工工匠,麻利地拆开外包装,将锯片等配件,连接到主机上。套上手套,戴上护目镜,开动马达,圆盘锯飞速转动起来。她取出标准化尺寸的石英管,开始上锯子截取自己需要的长度,做出生长晶体材料的试管。试用中,有的管子接口出现碎裂,她便重新再加工……

“经费很充足,但还缺硬件,你在实验,同行也在实验,国际竞争等不及,因为疫情已经耽误了太久,不做点什么会很焦虑……”这个大女生已经习惯了DIY,毕竟“交钥匙”的标准实验室都不是个性化定制的,需要她自己一步步“进家具”,有的大件还因为疫情迟迟没有从海外发货。

从去年全所整建制迁入新所,在实验室方案确定的第一天,她的“装潢队”就进场开始“硬装”搭建。安装和调试仪器设备以及之间接头收口,包括“水电气”等管线点位与排布等千头万绪,她从“小白”起步,从装修工那里偷师。“空气开关、单相三相电、工业用电、上水管、下水口、气路管道,等等,必须搞清楚……”实验室门外,两个大木箱子里的循环水冷机组室内外机还等着开箱装机。

爸爸是建筑工程师,她从小常去土建工地,接触混凝土、水泥、砂浆等,耳濡目染,便对材料产生了兴趣。她带着小小的“傲娇”说,本科毕业设计时的导师孙伟就是一位土木工程女院士,年轻时50斤水泥也一个人扛,“孙老师让我觉得,做科研从来没有什么男女有别,个子矮可以借梯子,力气小可以用工具……”

解放日报·上观新闻记者了解到,目前,李所正重点建设暗物质与中微子实验平台、实验室天体物理实验平台与拓扑超导量子计算实验平台等综合性开放型基础研究设施。“中国效率,上海速度,让李所在这里的发展非常迅速。除了大楼建设这些有形的变化,越来越多国际知名学者正陆续加盟。”维尔切克院士表示,上海离“成为全球向往的顶尖科学精英集聚地”的目标,一定会越来越近。

专家点评

参与科创全球竞争上海须臾不可放松

自己动手,瞄定前沿,加速奔跑,这是钟瑞丹所在的李政道研究所的缩影,也是我国科技创新事业的缩影。

“创新是引领发展的第一动力。抓创新就是抓发展,谋创新就是谋未来。”习近平总书记指出,“不能总是指望依赖他人的科技成果来提高自己的科技水平,更不能做其他国家的技术附庸。”科技创新不仅关乎国家政治安全、经济安全与国防安全,也是构建新发展格局、推动高质量发展的重要支撑。

这10年间,“蛟龙”入海、“天宫”探月、“北斗”指南、“墨子”升空、大飞机翱翔……这些大国重器背后都有上海印记;创新药、中国芯、最强光、未来车等原创成果也成为上海制造的闪亮名片,上海科技创新综合水平迈入全球主要创新型城市前列。即便如此,上海依然须臾不可放松。科技创新如今已成为国际战略博弈的主要战场,相关竞争空前激烈。上海承担着代表国家参与国际合作竞争的重任,这就要求上海在科技创新策源能力上加快突破,努力成为全球学术新思想、科学新发现、技术新发明、产业新方向的重要策源地。

面向未来,上海要继续坚持创新发展,以重大科技基础设施和重大创新平台为抓手,产生一批国际领先的原创成果,构建科技创新基础研发优势;以三大产业创新高地建设为抓手,涌现一批科技产业创新成果,构建科技创新产业技术优势;以科创体制机制改革为抓手,加速科创资源集聚、成果转化,构建科技创新制度优势;以长三角科技创新共同体和全球创新枢纽建设为抓手,形成开放、包容、共享的合作方式,构建科技创新开放协同优势。

科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。相信在科创这场全球竞争中,上海定会不辱使命、不负重托、努力作为。

(作者系中共上海市委党校上海发展研究院副研究员  周静)

题图来源:赖鑫琳 摄

本文照片来源:徐瑞哲 叶宇 等摄

 题图说明:上海交通大学李政道研究所航拍

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