旅美博士后談留學(xué)：路一直在腳下

　　編者按：王瑜俊，2002年7月獲南京大學(xué)物理系理學(xué)學(xué)士學(xué)位，后赴美國(guó)留學(xué)，2010年4月獲美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)物理系原子分子與光學(xué)專業(yè)物理學(xué)博士學(xué)位，2010年9月至今在美國(guó)實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所(JILA)做博士后研究。

　　2010年11月，在美國(guó)華盛頓大學(xué)的報(bào)告廳里，當(dāng)我作完邀請(qǐng)報(bào)告之后，一位白發(fā)老人便上前緊緊握住我的手說(shuō)：“感謝你把這個(gè)奇異的量子現(xiàn)象推廣到了更廣闊的領(lǐng)域中……”這位老人就是因最初發(fā)現(xiàn)三體Efimov效應(yīng)而著名的物理學(xué)家Vitaly Efimov。

看到以自己名字命名的物理效應(yīng)廣受關(guān)注并被年輕的研究者不斷推廣，這位物理學(xué)家高興的心情溢于言表。而我，能和德高望重的物理學(xué)家探討學(xué)術(shù)問(wèn)題，并得到肯定和贊賞，作為一位年輕的科研學(xué)者，多么令人歡欣鼓舞啊!望著眼前的老科學(xué)家以及報(bào)告廳里來(lái)自世界各地的物理學(xué)精英，我不禁回想起自己從祖國(guó)到大洋彼岸充滿艱辛和喜悅的科研歷程。

　　結(jié)緣超冷原子少體碰撞

　　2002年，在文化古都南京，我在南京大學(xué)物理系完成了大學(xué)學(xué)業(yè)。4年的刻苦學(xué)習(xí)打下了扎實(shí)的物理基礎(chǔ)，同時(shí)也讓我真正感受到了物理學(xué)的博大精深與魅力。特別是在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，我進(jìn)入南京大學(xué)世界聞名的固體微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室并參與了對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)制的研究。

　　對(duì)物理學(xué)者而言，看似枯燥無(wú)味的微觀世界其實(shí)和現(xiàn)實(shí)生活一樣豐富多彩。在核磁共振儀前，那些跳動(dòng)著的響應(yīng)信號(hào)就如同原子們一幅幅活潑的照片，真實(shí)地顯現(xiàn)在我的眼前。這些信號(hào)又像隱含著豐富物理規(guī)律的密碼，我們希望從中解讀出能應(yīng)用于控制超導(dǎo)的規(guī)律。然而迄今為止，人類已知的高溫超導(dǎo)體都具有較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，因此，作為具有奇異物理特性的高溫超導(dǎo)體，本應(yīng)成為承載人類希望的新型材料，其應(yīng)用型研究卻由于物理學(xué)家缺乏對(duì)其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的理解而進(jìn)展緩慢。

　　畢業(yè)后，我遠(yuǎn)赴美國(guó)繼續(xù)深造，師從堪薩斯州立大學(xué)物理系Brett Esry教授。當(dāng)時(shí)恰逢超冷原子氣和超短激光脈沖的實(shí)驗(yàn)室制備和控制取得巨大突破，其中成功實(shí)現(xiàn)由超冷原子形成的波色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的數(shù)位科學(xué)家被授予了1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在超低溫下，原子所顯現(xiàn)出的波動(dòng)性，這使其可應(yīng)用的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其本身：作為高度可控的量子系統(tǒng)，超冷原子可用來(lái)進(jìn)行對(duì)超流、超導(dǎo)機(jī)理的研究，模擬各種材料的晶格結(jié)構(gòu)，利用量子糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，并可利用量子相干性研究高效的化學(xué)反應(yīng)。此時(shí)我意識(shí)到，人類幾百年來(lái)在科學(xué)技術(shù)方面取得的巨大進(jìn)步，正是源于人們對(duì)基本自然規(guī)律不倦的追求與理解。于是，我加入了在原子物理研究中久負(fù)盛名的JRM實(shí)驗(yàn)室，并在導(dǎo)師Brett Esry教授的指導(dǎo)下開(kāi)始了對(duì)超冷原子少體碰撞的理論研究。

　　路在腳下延伸

　　作為物理學(xué)中的一大難題，少體碰撞長(zhǎng)期以來(lái)一直倍受物理學(xué)家的關(guān)注。在超冷原子研究中，少體碰撞，特別是三體碰撞對(duì)原子氣的穩(wěn)定性有決定性的影響，并可作為對(duì)分子合成進(jìn)行控制的一種重要手段。在超低溫的條件下，原子的運(yùn)動(dòng)會(huì)顯現(xiàn)出奇特的量子力學(xué)特性。在一定條件下，三個(gè)原子可形成無(wú)限多個(gè)被稱為Efimov態(tài)的分子態(tài)，即使他們中的任意兩個(gè)都不能單獨(dú)結(jié)合為分子。由于這種分子態(tài)的形成會(huì)對(duì)超冷原子氣的穩(wěn)定性會(huì)有巨大影響，因而其研究在冷原子領(lǐng)域倍受關(guān)注。此外，Efimov態(tài)獨(dú)有的分子構(gòu)型不依賴于原子的種類，所以它可以用對(duì)所有原子都普適的方法合成，再作為中間態(tài)被轉(zhuǎn)化到其他特定的分子態(tài)上。盡管這方面的研究仍處于起步階段，但作為潛在的一種可控的分子合成方法，人們對(duì)它未來(lái)的應(yīng)用前景充滿了期望。

　　我的博士研究正是集中在對(duì)Efimov態(tài)的深入理解之上。然而，看似簡(jiǎn)單的三個(gè)原子，其在超低溫下顯著的量子特性使得它們?cè)诳臻g中任何位置都可能出現(xiàn)，因而對(duì)它們運(yùn)動(dòng)的求解變得極為困難。但基于人們對(duì)少體問(wèn)題已有的雄厚知識(shí)，我在不斷的學(xué)習(xí)和研究中逐步掌握了Efimov態(tài)最重要的規(guī)律，并以此建立了簡(jiǎn)明扼要的物理模型用以發(fā)現(xiàn)并解釋新的相關(guān)物理現(xiàn)象。同時(shí)，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們還進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算以對(duì)少體系統(tǒng)的量子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格的求解。經(jīng)過(guò)幾年的努力，我們的研究積累了豐碩的成果。其中，我們開(kāi)拓了觀測(cè)Efimov態(tài)新的范圍，這不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)中對(duì)極限低溫的要求，還為Efimov態(tài)開(kāi)辟了更為廣闊的應(yīng)用空間。另外，我們還提出了利用可控手段合成Efimov分子態(tài)的方法，這對(duì)利用量子方法合成分子有重大的指導(dǎo)意義。這兩項(xiàng)主要的成果均發(fā)表在了頂尖的物理學(xué)期刊上并受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

　　當(dāng)然，要成為一名成功的科學(xué)工作者，需要掌握的不僅僅是科學(xué)知識(shí)，還需要有準(zhǔn)確的判斷力，對(duì)研究進(jìn)程的調(diào)節(jié)和把握，以及和他人溝通的能力。在美國(guó)的大學(xué)中，開(kāi)放而積極的學(xué)術(shù)氛圍對(duì)我的這些綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有很大的幫助。而我的導(dǎo)師Brett，作為Fano學(xué)派的傳承人，更是幫助我塑造了高效而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。而他也給予了我高度評(píng)價(jià):“如果你想在物理學(xué)術(shù)上有所成就，就意味著你要和全世界的研究者去競(jìng)爭(zhēng)，這不是件容易的事情。在這方面，瑜俊無(wú)疑超越了我的期望，而且他還有另外一項(xiàng)重要的素質(zhì)——能力。我的研究領(lǐng)域集中在對(duì)原子和分子物理的理論研究，這要求研究者具備廣泛的技能，包括從用紙筆進(jìn)行的數(shù)理分析到開(kāi)發(fā)新的用于數(shù)值計(jì)算的程序算法。瑜俊在這些方面都很出色，他甚至常常會(huì)因?yàn)橥瓿沙鑫翌A(yù)期的一些新的計(jì)算和推導(dǎo)而讓我吃驚。瑜俊可以佐證，我的預(yù)期通常比較高，所以對(duì)我而言，超出這些預(yù)期就是我能給出的最好評(píng)語(yǔ)了……”“瑜俊做出了很多研究成果，如果我能有更多像他這樣的學(xué)生，我會(huì)很高興。(Yujun produced a lot of results, and if I could have more students like him, I would be very happy. )”

　　最終承載我在幾年的博士研究的科研成果中的，有自己對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)，有在一次次嘗試中積累的經(jīng)驗(yàn)，還有百折不撓的信念與勇氣。

　　由于在博士研究中的出色表現(xiàn)，我收到了坐落于科羅拉多的美國(guó)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JILA)的博士后邀請(qǐng)。在這個(gè)仍然保持著世界上最精確原子鐘記錄的實(shí)驗(yàn)室里，來(lái)自世界各地的優(yōu)秀物理學(xué)家們每天都會(huì)展示出大自然給予人類的意外與驚喜。在這個(gè)更具挑戰(zhàn)的地方，我在新的研究領(lǐng)域里又迅速取得了對(duì)純基態(tài)極化分子的突破性進(jìn)展，這些新的科研成果不僅為超低溫分子合成實(shí)驗(yàn)提供了重要的指導(dǎo)，更開(kāi)辟了一個(gè)對(duì)極化分子新的研究方向。

在這個(gè)誕生過(guò)許多偉大原子物理學(xué)家的殿堂，我相信，站在巨人們的肩膀上的我，會(huì)用在冷原子氣及分子合成的研究為人類的科學(xué)研究提供又一份動(dòng)力。