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凝才聚智 引领国际“潮流”

时间:2019-08-20来源:中国科学报 作者:佚名

中科院物理研究所供图

 

■本报见习记者 韩扬眉

2017年1月,因在高温超导领域的卓著贡献,中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员、中国科学院院士赵忠贤荣获2016年度国家最高科学技术奖。

2018年3月,物理所联合研究团队利用极低温—强磁场—扫描探针显微系统首次在铁基超导体中观察到马约拉纳任意子。这一发现对构建稳定、高容错、可拓展的未来量子计算机应用具有极其重要的意义。相关成果刊发于《科学》。

2019年1月,由物理所和清华大学科研人员组成的联合攻关团队“量子反常霍尔效应的实验发现”项目荣获国家自然科学奖一等奖。这一成果是该领域的一项重要科学突破。值得一提的是,从理论研究到实验观测的整个过程均由我国科学家独立完成。

近5年来,物理所在锂离子电池、室温纳离子电池、碳化硅等应用技术方面突破壁垒,并实现了技术成果转移转化。其中依托锂离子电池技术入股的苏州星恒电源股份欢乐生肖平台在国内锂离子电池电动自行车市场占有率第一,且已成功进入欧洲纯电动汽车市场。

……

国际上,凝聚态物理研究竞争激烈,而物理所大多时候都能“旗开得胜”。现在看来,其“卓越”的基因或许早已蕴藏。

乘东风 凝优势力量

21世纪以来,物理学研究呈现出更加复杂性、更大规模化和交叉性特征,一个团队“单兵作战”无法应对已然到来的“大科学时代”。尤其在凝聚态物理学基础研究领域,理论预言、样品制备和实验观测相得益彰,必须环环相扣方能取得成功。

因此,物理所人十分清楚,在当前激烈的国际竞争中,团队紧密合作十分重要。但他们更清楚的是,尽管同在物理所,科学家的合作程度还不够,交流也不尽充分。

如何让科学家的合作更加自由、充分,凝聚成1+1>2的合力?什么样的环境才能充分释放科研人员的创新活力,不断产生新思想?这些是摆在物理所未来发展道路上的一系列难题。

物理所的“理想”是:凝聚不同研究方向的科研人员,在有问题、有想法时,能有一个“立刻联系、马上讨论、快速解决”的条件和氛围。

2014年底,中国科学院启动实施“率先行动”计划,旨在清除各种有形无形的栅栏,强化跨学科、跨领域联合合作和协同创新。2015年1月,依托物理所,中国科学院凝聚态物理卓越创新中心(以下简称凝聚态卓越中心)成立,这为物理所实现“理想”加注了新的动力。

凝聚态卓越中心自成立后经过探索实践,建立了协同化、集成化、规模化的现代科研组织结构模式——学术方向制,更加聚焦国家目标、符合科技创新规律、高效配置实验室资源,有利于科研人员间跨领域有机合作,以及科学思想、实验技术和仪器设备的共享,最大限度激发了科研人员创新热情,让创新成果不断涌现。

在同一个机构内部迅速完成从理论预言、样品制备到实验观测的全过程研究,这在国际上都很难做到,而凝聚态卓越中心则具备了这样的条件。

在自然界中,我们接触到的绝大部分物质都可归类为凝聚态。凝聚态除了表示物质背后“凝聚的力量”,凝聚态卓越中心中的“凝聚”还有另外一层含义,即“凝聚一批有特色、已取得一定成果的优势方向”。

物理所有着90年的辉煌历史,它推动了中国物理基础科学研究从无到有、由弱渐强的发展历程,被认为是中国乃至国际物理科学领域的标杆性科研机构。改革开放以来,物理所在国际竞争洪流中独树一帜。尤其在以高温超导、拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应等为代表的基础前沿研究领域取得了一大批原创性科研成果。

《科学》杂志曾刊发专题评述文章指出:“中国如洪流般涌现出的研究结果标志着,在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。”

而由物理所牵头建设的凝聚态卓越中心则希望保持这来之不易的领先和优势地位,并期望在未来能做得更好。那么,如何布局才能“做得更好”?

从科技发展的战略出发,寻找新材料和新物态、发现新现象新效应、调控这些新效应并探索发展新器件,或许可以解决当前科技发展的瓶颈问题,最终促进材料、信息和能源领域的基础和应用研究取得重大突破。

事实上,中科院对此早已有所布局。2014年,中科院启动了“拓扑与超导新物态调控”战略性先导科技专项(B类)。该项目由物理所承担,是凝聚态卓越中心建设的有力“抓手”。

经专家学者多次论证,凝聚态卓越中心立足凝聚态物理基础研究和应用研究,聚焦重大科学问题,最终凝练出新奇量子现象、先进量子材料与结构、凝聚态理论与计算、尖端科学仪器、交叉与应用物理五大方向。凝聚态卓越中心整体围绕“理论计算、材料制备、物性测量、器件研发”,通过高度集成和建制化攻关的模式,开展全链条研究。

2018年1月,在中科院组织的凝聚态卓越中心建设试点工作验收专家组评议中,凝聚态卓越中心获评“优秀”,顺利通过验收并进入正式运行期。

科研人员在科学咖啡厅讨论

创氛围 “合”重大突破

新成立的凝聚态卓越中心进行了一系列改革,催生了诸多卓越的合作之“花”。

比如,外尔费米子的发现是由凝聚态卓越中心3个不同方向的科研人员合作攻关完成,包括擅长量子材料计算和设计的理论物理学家、专攻功能材料单晶生长的材料制备专家,以及擅长解析相关材料结构与实验研究的实验物理学家。

2015年1月,凝聚态卓越中心的理论物理学家通过第一性原理计算,首次理论预言砷化钽(TaAs)家族材料是外尔半金属。由于这一结果与之前的理论预言不同,立刻引起了国内外实验物理学家的重视,随后许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。

其中,凝聚态卓越中心材料制备专家迅速制备出了高质量TaAs晶体,实验物理学家团队随后立即对TaAs(001)表面电子态进行了高精度测量,证实了表面费米弧的存在,并且确定了费米弧与外尔点在(001)表面投影的连接方式,提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据,此后又测量了TaAs体电子态,直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥,提供了进一步的实验证据。实验结果与理论物理学家的计算结果高度吻合。

凝聚态物质中外尔费米子的发现入选了英国物理学会《物理世界》杂志“2015年十大突破”。该成果作为唯一来自中国本土的研究工作,于2018年入选美国物理学会纪念《物理评论》系列期刊诞生125周年精选论文集。实际上,该论文集所包含的49项科学成就中,已有34项获得了诺贝尔奖。

在寻找外尔费米子的竞赛中,中国科学家独立、率先取得胜利是大家通力合作的结果,理论、样品、实验,缺了哪个环节都不行。

事实上,近年来重大原创性成果的涌现,都得益于凝聚态卓越中心良好的科研生态环境。其实,有很多新发现并非在预料之中,而是科研人员自发自愿的创新。

作为学术骨干加入凝聚态卓越中心的科研人员越发意识到和领域里不同方向学者交流合作的重要性。在他们看来,“鼓励大家交流合作,并且认可每个人的贡献,是物理所的文化”。

基础研究具有很强的探索性和不可预测性。而科学家自身的兴趣和好奇心是推动科研创新的原动力。如何最大限度激发科研人员的创新活力,这是凝聚态卓越中心在建设过程中思考最多的问题。

“既要埋头苦干,也要闲聊天。灵感不可或缺,有时甚至胡思乱想、说笑,其实也是不断提高和创造的过程。”物理所负责人强调,“良好的科研生态环境就是我们的‘绿水青山’和‘金山银山’,这件事情做好了,才能够真正建设成为世界一流的研究机构。”

物理所科学咖啡厅就是一个缩影,这间通过众筹方式建设的咖啡厅在物理“圈”中负有盛名。这里不仅有醇香的咖啡,还有各种思想碰撞的“火花”。无论是学生、新员工,还是泰斗级学术“大咖”、所领导,大家共坐一起,谈笑风生、公开辩论的场面随处可见。

“刚开始可能是闲聊,但说着说着就聊到科研和合作上了。跟所领导也是,聊着聊着就会说起所里的管理建设问题,在办公室就很难有这样的环境。”一位科研人员透露,自己的研究几乎都需要与别人合作,而这种环境能让他们充分“释放和激发创造力”。

科研圈流传着这样一个说法:英国剑桥大学60多项诺贝尔奖是在下午茶时间喝咖啡“喝”出来的。事实上,喝咖啡只是一种形式,背后是鼓励自由交流与合作的文化氛围。凝聚态卓越中心的咖啡厅文化亦是如此。

有咖啡厅,没时间“喝咖啡”也不行。为了保证科研人员有时间“喝咖啡”,凝聚态卓越中心的科研管理坚持一个传统,即科研人员在“一线”,行政人员是“二线”;“二线以一线为先”“二线服务于一线”。这种服务理念让科学家颇感“科研做得顺畅、舒服”。

对于科学研究来说,设备仪器早一天到位,实验就能早一天开始。一位科研人员记得,有一次研究中需要用到一种材料,很紧急,财务管理人员告诉他可以先买再走程序,这使得材料当天就到位了。

科学家感受到,“凝聚态卓越中心的管理是按照‘解决问题’的思路运行的。”

凝聚态卓越中心将人才从繁琐的行政事务中“解放”出来,保证科研人员潜心科研。据统计,这里人才投入科研的总时长和连续科研时间在同行中均排名前列,为科研产出提供了时间保证。

近5年来,凝聚态卓越中心产生了多项国际领先的原创性成果,尤其在拓扑和超导领域引领了国际潮流。

拓扑研究不断突破,比如,首次观测到三重简并费米子,为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向;建立国际上第一个“拓扑词典”和非磁性拓扑材料数据库等。

超导领域涌现诸多重大成果,比如发现了第一个锰基化合物超导体,在铁基超导体中发现马约拉纳束缚态,以及首次确定了铜氧化物高温超导体的超导配对关联谱函数等。

此外,凝聚态卓越中心还始终致力于尖端实验技术的研发和科研平台的建设,比如自主研制成功新型光学—扫描隧道显微镜系统、纳米图形化和超宽频磁电特性测量系统、超高分辨宽能段光电子实验系统等一大批特色鲜明、国际领先的科研装备与平台,为物理学基础和前沿问题研究、产业技术提升以及解决国家重大需求提供了强有力的技术支撑。

值得一提的是,基于全链条的科研布局与基础研究也取得重大突破——建立了适用于锂离子电池新材料开发的高通量计算理论工具与研究平台,利用该平台发明了多个新型固体电解质材料;基于硅基负极材料的研究积累,成立了溧阳天目先导电池材料科技欢乐生肖平台,推进硅基材料产业化。

在去年中科院科技成果转移转化排名中,凝聚态卓越中心位居前列。不过,在中心负责人看来,这都是数十年间,经由几代科学家在基础领域的深厚积累,才最终走到应用的结果。

综合极端条件用户实验装置施工现场

出良策 聚天下英才

良好的科研生态,让凝聚态卓越中心乃至整个物理所在国内“抢人大战”中稳定地吸引了不少人才。不过,他们依然深感在高水平人才引进中所面临的激烈竞争,在吸引人才方面丝毫不敢放松。

凝聚态卓越中心自筹建以来,实施了两类人才计划,即“特聘核心骨干”和“特聘骨干人才”两类特聘研究员,如今共有55人入聘。通过该计划提高了科研人员的薪酬待遇,稳定了现有的核心队伍。

凝聚态卓越中心建立了海外人才招聘会制度。比如,在每年美国物理学年会举办的“三月会议”上组织人才招聘会专场,实现人才精准引进,也为海外人才回国工作提供便捷途径。

凝聚态卓越中心引才注重从科研布局需求而非“头衔”“帽子”出发,不拘一格降人才。其中“小百人计划”(以下简称“小百人”)颇值得一提。

成为“小百人”便成了物理所的正式职工,可以独立开展科研工作,是否拿到国家其他人才计划并没有实质影响,而国内相当多高校录用人才的前提条件是,必须首先申请到国家的人才计划。

“小百人”政策给予了更多优秀年轻人以机会。事实证明这一举措是正确的,近来,“小百人”们做出了不少重要科研成果。

凝聚态卓越中心还十分重视对青年人的培养。设立“科技新人奖”、成立“青年学术小组”,以健全对青年人才的内部普惠性支持。此外,以与国际顶尖机构联合培养博士后为切入点,建立了一套相对完备的学术交流体系。

人才汇聚,就要充分激发他们的创造活力。为此,凝聚态卓越中心改革了人才机制。

在人才考核评价方面,减少各种名目繁多的评估,避免“帽子”“头衔”对人才的干扰。科研人员职称评审和任期考核不数文章篇数、影响因子,通过开展国际评估等方式,将高水平论文与成果考核有机结合,只强调成果的质量和价值。

不得不承认,评价导向影响科研行为。科学家是一个职业,也需要“养家糊口”,易受到所在单位一些规则制度的导向影响。而不符合科研规律的评价制度,让科研人员变得短视,又对一家单位自身的长期竞争力非常不利。

凝聚态卓越中心评价科研人员主要看长期表现,甚至会考虑到一个人在研究生和博士后阶段的表现。

新引入的研究人员6年内不需要接受任何考核,不必为了应对考核及担心经费而被动改变研究方向。在科研经费支持上,凝聚态卓越中心以稳定支持机制为主、竞争性经费为辅。核心人员原则上不申请人才、条件类项目外的研究经费。

“凝聚态卓越中心不认外面的‘帽子’,评价只有一个标准——原创性成果,晋升也只有一个程序——研究员。”物理所负责人说。

在这里,大家的共识是,评上了研究员便是“最高荣誉”。即使一名科研人员获得过一些荣誉和社会认可,要想晋升“研究员”,依然需要通过物理所“小同行”委员会评审才能实现。

但科研人员也有危机感,凝聚态卓越中心的淘汰机制业界闻名。每3年一次的国际专家组和所内学术委员会对各领域方向做出评议,排名末位的课题组将面临被关停的结局。

不淘汰人,只淘汰方向,意味着科研人员必须确保其所在领域方向是国内乃至国际上最好的团队之一。虽然这样做会“逼”走一些人才,但保证了凝聚态卓越中心的可持续发展,以及高水平人才的聚集度与活力。

在当前科技发展形势下,凝聚态卓越中心还在推动另一件重要的事情:全面推进国际化战略,面向全球建立广泛而深入的国际科技合作与交流。

2018年1月,国际著名凝聚态物理学家、与物理所直接合作超过15年的美国教授厄尔·沃德·普拉默获得了“中华人民共和国国际科学技术合作奖”。他说:“未来20年内,中国将成为世界科技舞台上的领军力量。而国际化将成为中国科研发展的关键挑战。”

改革,给物理所带来了更高水平的开放和交流。随着凝聚态卓越中心科研实力的增强,这里的国际化不再停留在交流和学习阶段,而是主动提出计划,开展更加平等的实质性国际合作。正是在这个过程中,物理所逐步在凝聚态物理领域树立起了国际一流研究机构的形象。

改革成效初显。据统计,目前,物理所在研重点国际合作项目17项,凝聚态卓越中心每年在境外开展合作交流的科研人员和学生人次逐年增长,2018年出访达到737人次,相比10年前的372人次翻了一番。

建一流 筑科学高峰

2019年6月17日,从广州东莞传来好消息——由物理所牵头、耗资约120亿元的“松山湖材料实验室”项目动工奠基仪式在松山湖举行。这标志着物理所“一村三湖”战略布局进入新的全面建设阶段。

“一村”,指北京中关村基础研究本部;“三湖”指北京雁栖湖(大装置平台)、东莞松山湖(应用与材料科学中心)、溧阳天目湖(成果转化与学术交流中心)。这些都是在凝聚态卓越中心的框架下组织建设的,中心成员是建设中的“主力军”。依托凝聚态卓越中心,物理所更有能力承担和建议国家层面的大项目、大计划。随之而来的是,科研经费保障大幅增加。

今年,由物理所承担建设的“综合极端条件用户实验装置”正处于快速建设期。近年来,利用极端实验条件取得创新突破已成“国际惯例”,由此产生了不少获得诺贝尔奖的工作,欧美发达国家均在此展开激烈竞争。物理所正在建设的这一大科学装置坐落于北京怀柔雁栖湖畔,是北京怀柔科学城第一个得到国家发展和改革委员会资助的建设项目,建成后将拓展物质科学的研究空间,促进新物态、新现象、新规律的发现。

科研人员翘首以盼这一“国之重器”落成之后的样子。一位科学家曾表示,倘若科学家能利用装置做出室温超导体,电影《阿凡达》中壮观的“哈利路亚悬浮山”就有望成为现实。

凝聚态卓越中心的目标是建成国际一流的凝聚态物理学前沿研究中心。在凝聚态卓越中心负责人看来,所谓“国际一流”,一定要解决重大前沿科学问题,引领国际物理学研究发展方向。他也深知,在探索前进的路途中,必定会出现不同的想法和问题,但这些都值得鼓励。“最重要的还是要沉下心来,踏踏实实做好自己。”

正像普拉默所预言的,中国必将领军世界科技。到那时,我们有理由相信,国际领军力量中必有一支代表中国特色的凝聚态物理学流派,他们将引领国际物理学研究发展方向,而他们必将出自中国科学院凝聚态物理卓越创新中心。

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