2023年北京“最美科技工作者”｜姚裕貴：創(chuàng)新為“帆”，科研育人引領(lǐng)者
基礎(chǔ)研究出成果慢且有很強的不確定性，可一旦有成果，就可能產(chǎn)生顛覆性影響。做基礎(chǔ)研究需有甘坐“冷板凳”的精神，要持之以恒。如何發(fā)現(xiàn)和設(shè)計性能優(yōu)異的量子材料？這是北京理工大學(xué)教授、物理學(xué)院院長姚裕貴鉆研了20多年的問題，但他卻說“直到今天也才略懂皮毛”。
撰文/記者 吉菁菁 編輯/丁林
在我國的江西九江盛產(chǎn)一種毛竹，這種竹子在最初的5年，生長似乎很慢，僅僅3-5厘米的高度，少有人注意。但在地下看不見的地方，竹子的根系卻在努力地生長，每公頃竹林根系的總長度甚至能達2.4萬多公里。憑借龐大堅實的根須系統(tǒng)，在第六年的雨季，毛竹的生長速度得以一飛沖天——僅僅半個月左右的時間，高度就能接近30米。
毛竹生長的故事和基礎(chǔ)研究對科研體系中創(chuàng)新與突破的重要作用，可以說是異曲同工。
科學(xué)家在進行基礎(chǔ)研究時，需要花費很多時間來探索基本規(guī)律、原理和現(xiàn)象。這意味著他們常常走的是他人從未走過的路，解決的往往是從無到有的問題。而這些努力可能并不會立刻產(chǎn)生顯著成果，就像竹子最初幾年看起來沒有什么變化一樣。但正如毛竹在第六年突然蓬勃生長，只要打牢了基礎(chǔ)研究的“地基”，更多的科技創(chuàng)新就會涌現(xiàn)，更易迎來“平地起高樓”的爆發(fā)式突破。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院的院長姚裕貴，就是一位像毛竹一樣深扎基礎(chǔ)研究三十余載的物理學(xué)家。他長期致力于凝聚態(tài)物理、計算物理和材料物理領(lǐng)域，在量子反?；魻栃?yīng)、硅烯、石墨烯、拓撲材料與物性等多個方向上，均取得了一系列重大的突破性成果。2018年至2022年，他連續(xù)入選全球“高被引科學(xué)家”名單，榮獲國家自然科學(xué)獎、教育部自然科學(xué)獎、北京市自然科學(xué)獎等獎項。
“頂天立地”做科研，服務(wù)國家重大需求
在外行人看來枯燥艱深的領(lǐng)域，姚裕貴卻始終幾十年如一日地樂此不疲。談及初心，姚裕貴表示是出于熱愛：“我從小喜歡數(shù)學(xué)也喜歡物理，數(shù)學(xué)像是道邏輯題，最終的結(jié)果是確定的，無非是正確或錯誤；物理卻是門猜測的學(xué)問，每向前邁出一步，都是一個無限逼近真理的過程?！彼麨檫@種猜測和追逐的過程深深著迷。
高考時，姚裕貴順利考上了天津南開大學(xué)物理系，“大學(xué)四年里，我把圖書館中只要和物理沾邊的書，基本上都找來看了一遍?！倍?，暢游學(xué)海的姚裕貴，又先后攻讀了中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的光學(xué)碩士和中國科學(xué)院力學(xué)研究所的力學(xué)博士。
也正是在這一時段，姚裕貴意識到，相比更偏工程和技術(shù)的光學(xué)及力學(xué)方向，自己更想去探索事物現(xiàn)象背后的物理機理，真正想研究的是自然現(xiàn)象中的底層物理邏輯。
1999年，姚裕貴進入中國科學(xué)院科物理研究所博士后流動站，正式開啟了計算物理和凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)研究之路。
2001年，姚裕貴前往美國德州大學(xué)奧斯汀分校物理系從事博士后研究，開始深入研究鐵磁材料中的反?；魻栃?yīng)。反?；魻栃?yīng)由美國物理學(xué)家霍爾在1888年提出，是磁性材料中最基本的輸運現(xiàn)象之一，它不僅是諸多低功耗量子效應(yīng)的物理原型，也是拓撲量子物態(tài)的重要基石。100多年以來，許多國際上著名的科學(xué)家對此進行了大量的研究工作，但都未能通過完整的理論體系和定量的方法對實驗結(jié)果做出令人信服的結(jié)論。
面對這樣一個物理界的百年難題，雖然沒人做成過，僅僅因為“之前的工作有一定的基礎(chǔ)”，姚裕貴決定去啃這塊“硬骨頭”。他選擇了一個該領(lǐng)域“前無古人”的全新研究方法，通過編寫一個程序來計算反?；魻栃?yīng)?！罢f實話那兩年我的壓力還是非常大的，基礎(chǔ)研究需要在無數(shù)個不確定中去捕捉到確定的規(guī)律，也沒有前人經(jīng)驗可以借鑒，當(dāng)時完全不知道我們到底會不會把它完成。”
在之前，科學(xué)家們通常認為反?；魻栃?yīng)是由外在散射機制引起，而忽略內(nèi)稟的貝里相位機制。所謂貝里相位效應(yīng)，是指在光學(xué)或電子學(xué)等領(lǐng)域中，光或電子在循環(huán)絕熱傳播過程中積累的相位變化現(xiàn)象?？梢院唵蔚叵胂鬄楣饣螂娮釉诓牧现械膫鞑ゾ拖窈嫔系牟ɡ藗鞑?，隨著波浪的傳播波的相位也相應(yīng)變化，類似地，光或電子在材料中傳播時，材料性質(zhì)也會對其產(chǎn)生影響，也會像湖面的波浪一樣有相位的改變。
經(jīng)歷了無數(shù)個難忘的日日夜夜，2004年，姚裕貴和研究團隊顛覆了當(dāng)時學(xué)界數(shù)十年來對反?；魻栃?yīng)“外在機制占主導(dǎo)，內(nèi)稟機制不重要”的傳統(tǒng)看法，創(chuàng)造性地將貝里相效應(yīng)融入到第一性原理計算中，率先在國際上發(fā)展了反常輸運物理量的第一性原理計算方法，定量地研究了反?；魻栃?yīng)中基于貝里相的內(nèi)稟機制，指出了內(nèi)稟機制的重要性，實質(zhì)性地推動了反?；魻栃?yīng)研究的發(fā)展。該工作單篇引用達627次，并被國際上多個實驗組驗證。關(guān)于反常輸運的部分成果更被寫進了國外主流教科書，姚裕貴也因此成為該領(lǐng)域開拓者之一。
兩年多的時間，就解決了物理界的“百年難題”，但姚裕貴卻說，做科研不能依賴什么“靈光一現(xiàn)”，靠得住的只有“博觀約取”和“厚積薄發(fā)”。
憑借著孜孜不倦的學(xué)習(xí)和探索精神，他引領(lǐng)了硅烯等二維拓撲材料的研究，所提出的理論模型被冠名；完成了三維晶體中準粒子的分類并建立了百科，為搜尋和實現(xiàn)相關(guān)演生粒子提供理論指導(dǎo)。同時，他還堅持做有用的物理，服務(wù)國家的重大需求，通過發(fā)展含能材料能量釋放性能及感度快速檢測技術(shù)，填補了相關(guān)國防領(lǐng)域技術(shù)空白。
“立德樹人”育英才 ，讓更多人愛上物理
相比起科技工作者的身份，姚裕貴同樣投入巨大時間和精力的身份是老師?！盎A(chǔ)研究的‘地基’是人才，我們當(dāng)務(wù)之急是在建設(shè)好基礎(chǔ)學(xué)科的同時，加強培養(yǎng)基礎(chǔ)研究的頂尖人才。”
在學(xué)生們眼里，姚老師每天都笑呵呵的，有著用不完的旺盛精力。看似他每天早上7點會騎自行車出現(xiàn)在校園，但“每天早上6點多就能準時收到姚老師回復(fù)的工作郵件，說明他在那之前就已經(jīng)起來工作了”。
2018級博士生曹晉近日獲得研究生國家獎學(xué)金，他還記得剛到學(xué)校時，每晚22點半才走，“當(dāng)時以為自己很勤奮”，但后來發(fā)現(xiàn)姚老師每天23點半才下班，而且下班后還會雷打不動去學(xué)生辦公室關(guān)心當(dāng)天的科研進展，“這讓我感到慚愧，后續(xù)也以老師為榜樣，對自己要求更嚴了”。
盡管科研和行政工作都非常繁忙，但姚裕貴卻始終把和學(xué)生的交流擺在第一位。組會是他和學(xué)生交流的重要平臺，每個學(xué)生都知道，在姚裕貴的心中，課題組重要組會的優(yōu)先級幾乎是所有事情中最高的。有時開組會他顧不上吃飯，就直接拎著一個餡餅和一瓶礦泉水邊聽邊吃。“姚老師進入科研狀態(tài)時非常專注，我們發(fā)言后，他會事無巨細地提問，從宏觀物理圖像到具體技術(shù)的細枝末節(jié)，都會一一展開溝通?！?/p>
姚裕貴認為做科研最重要就是提問，他經(jīng)常鼓勵學(xué)生們“多看文獻、多提問題”。由于自身的多學(xué)科背景，他也非常注重學(xué)科交叉融合，常請外部其他學(xué)科專家來授課，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。2016級博士生張閏午現(xiàn)在已經(jīng)是物理學(xué)院副教授了，“姚老師對自己非常節(jié)儉，但他對學(xué)生和科研卻非常大方，給學(xué)生配最好的筆記本電腦，盡力協(xié)調(diào)提供最大的科研資源支持。”
桃李不言,下自成蹊，如今，姚裕貴培養(yǎng)的學(xué)生大多進入高?；蜓芯克ぷ?，獻身前沿科技和基礎(chǔ)人才的后續(xù)培養(yǎng)事業(yè)。在姚裕貴的帶領(lǐng)下，2022年，北京理工大學(xué)物理學(xué)也入選國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科，物理學(xué)院2018年還獲批立項“先進光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計與測量”教育部重點實驗室，參與建設(shè)教育部“高能量物質(zhì)”前沿科學(xué)中心，承擔(dān)了國家重大研究計劃、國家重大儀器專項。但姚裕貴同時還在考慮，如何讓更多人愛上物理。
“科技創(chuàng)新和科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼。我希望通過物理學(xué)科普，提升全民科學(xué)素質(zhì)，讓民眾理解物理學(xué)家的工作，更吸引到優(yōu)秀人才?！睘榇?，姚裕貴一直推動北京理工大學(xué)物理學(xué)院作為全國科普教育基地的建設(shè)。作為院長他親自掛帥，擔(dān)任科普基地主任，充分利用學(xué)院優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，組織了一支擁有高漲科學(xué)傳播事業(yè)熱情和扎實專業(yè)基礎(chǔ)的科學(xué)傳播團隊，打造了“天地之美 萬物之理”物理公眾科學(xué)日特色品牌，助力科學(xué)技術(shù)在公眾中的普及和推廣。迄今為止，北京理工大學(xué)物理學(xué)院科普基地已舉辦各類公益講座百余場，服務(wù)線上線下公眾200多萬人次。
堅守為舵，創(chuàng)新為帆
今年以來，姚裕貴帶領(lǐng)課題組在面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)、非線性拓撲力學(xué)超材料、二維材料中光學(xué)拓撲性調(diào)控新機理、Kagome超導(dǎo)等方向相繼取得了重大進展。在計算物理和凝聚態(tài)物理的汪洋上，他以堅守為舵，創(chuàng)新為帆，繼續(xù)遠航。
“基礎(chǔ)研究確實是要坐住坐穩(wěn)‘冷板凳’，需要持之以恒的耐心及毅力，才能有真正的進步和創(chuàng)新。今后幾年，我希望能夠找到更好更優(yōu)的量子材料，在領(lǐng)域取得更大突破，解決一些實際的問題?！?/p>
2023年5月，在北京市委宣傳部、市科協(xié)等部門組織開展的遴選活動中，姚裕貴被評為北京“最美科技工作者”，同月還獲評“北京市有突出貢獻的科學(xué)、技術(shù)、管理人才”。7月，他又榮獲了三年評選一次的首批“北京市先進科技工作者”稱號。
面對榮譽，姚裕貴謙虛而樸實地說：“得獎有些意外，也感到非常榮幸。未來希望能鼓勵更多的人投身于基礎(chǔ)研究和物理學(xué)，希望通過我們的努力，鼓勵和引領(lǐng)更多年輕人勇闖科學(xué)探索‘無人區(qū)’，為加快實現(xiàn)我國高水平科技自立自強、推進中國式現(xiàn)代化不斷作出新貢獻。”
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