刘畅：“万花筒”里看世界

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刘畅：“万花筒”里看世界

作者：暂无

来源：《科学中国人》 2016年第1期



本刊记者 陈 璐

还记得童年时玩过的万花筒吗？小小光学玩具里那一朵朵五彩斑斓的“花”，承载着多少少年在物理世界里遨游的梦想。

多年前，当角分辨光电子能谱仪（A R P E S）里反映原始数据的那一幅幅漂亮的花朵图案第一次展现在刘畅面前的时候，自嘲“向来对漂亮的东西零忍耐度”的他立马就被这一“像万花筒一样的东西”吸引住，从此笃定要将它与自己的工作“快乐地联系在一起”。

多年过去，当年的懵懂少年已然成为南方科技大学物理系的一名副教授。凭着自己的努力，他先后走过美国爱荷华州立大学、普林斯顿大学等国际物理研究科学殿堂，收获了满满的“快乐探寻感”。

工欲善其事必先利其“器”

“万花筒”下的铁基超导和拓扑绝缘体研究

至今，刘畅依然对那天的场景记忆犹新：

时值2008年铁基超导体刚被发现并迅速成为爆炸性研究热点的头一个月，他还是爱荷华州立大学凝聚态物理专业的一名在读博士生。有一天，他的导师——Adam Kaminski教授推门而至，让他放下手头的工作，立马参与到学校铁基超导体相关研究的进展工作中来，而他所要做的工作就是利用A R P E S，完成国际上对铁基超导体能带结构及超导能隙的最初测量。于是，在短短几个月时间内，通过日夜奋战，刘畅完成了世界上用A R P E S研究铁基超导体的第一份文献。由于实验的高难度，这一工作也是迄今为止用A R P E S研究超导转变温度大于50K的“1111”族铁基超导体的少数几个工作之一。

“其实就是因为我们的工作做得早。”刘畅笑言自己获得开创性研究成果的原因。在日新月异的科学界，只有抓住契机站在国际前沿，并一直保持领先的态势，才会一直居于前列。身处世界科学研究的“前沿阵地”，刘畅非常幸运地把握住“风向”站在了科技浪潮的前端，为自己积累了宝贵的财富。而在接下来的工作中，他并没有放松丝毫，而是继续“趁胜追击”，收获了“满园硕果”：

他用A R P E S揭示了电荷与空穴掺杂下铁基超导体能带的准刚性变化，并在国际上首次突出了铁基超导体和经典的铜氧高温超导体的本质区别；作为第一作者，他对电荷掺杂122体系的能带进行了深入的研究，首次指出铁基超导体的超导相只在动量空间M点出现电子型费米面时才有可能存在……

这一系列创新成果发表的论文成为铁基超导领域具有奠基性影响的重要引文（其中以第一作者发表文章7篇，至今共获得544个引用，单篇最高引用215次；合作发表文章单篇最高引用258次），其中多篇文章被权威的总结性评论文章引用和赞誉。

值得一提的是，在这一阶段，刘畅对其他新型材料也有浓厚的兴趣，发表了至今唯一一篇利用A R P E S研究稀土—铋—铂体系拓扑特性的文章。这一研究同时也为他后来在普林斯顿大学的研究奠定了良好的基础。




从2011年下半年至今，刘畅开始在普林斯顿大学Zahid Hasan小组工作，主要用A R P E S研究新型材料的各种不寻常拓扑性质。Zahid Hasan教授是三维拓扑绝缘体的实验发现者，也是诺贝尔奖的有力竞争者，其小组以大胆的创新和强大的持续攻坚能力著称。在小组的带动和影响下，刘畅的研究同样极具创新性和攻坚性：他广泛测量了多类新型材料的电子学性质，包括多种基于铋的三维拓扑绝缘体更新颖的拓扑晶格绝缘体以及另外几个研究的热点——铱酸盐、石墨烯、过渡金属二硫化物等。在实验上，他通过自旋分辨的A R P E S首次观察到铱酸盐的自旋极化表面量子态；挑战实验高难度，成为目前世界上唯一对H g T e单晶进行A R P E S研究的科学家；和同事一起发现了第一种拓扑晶格绝缘体（论文发表于N a t u r e Communications）等。

“工欲善其事必先利其器”，对刘畅来说，A R P E S就是他手中持有的“利器”，有了这一神奇的“万花筒”，他可以自由地探寻奇异的超导和拓扑现象，从而步步揭开这些物理世界中充满神奇的奥秘。

扬帆再启航

“工作和生活都像万花筒”

“非常有趣的”“奇怪的”……刘畅口中，他所研究的对象与很多非专业人士所认为的枯燥难懂不同，是充满神奇乐趣的。而这，或许是他研究有所成最主要的原因之一。在他的理念里，就是觉得自己应该做一些有趣的事情，而他现在所研，恰恰符合了这一要求。

令人诧异的是，这位对自己所研充满十足热情的青年科学家并不是一早就钟情于此。1982年出生的他身上颇有着一股子“80后”特有的“心随我意”的洒脱和主张。初进入中山大学，他为自己所选的专业是城市规划，只因自己的母亲是一名园林设计高级工程师，他觉得自己应该会对相关画图一类的工作感兴趣。但两年后，他做出了一个让人惊讶的举动：转投物理专业，只因发现自己“并不太喜欢画画”，而物理专业是基础学科，他认为“应该能学到东西”，相比于数学的“太难”、化学的“有毒”“物理是最好的选择”。“但当深入其中，发现它也并不容易”刘畅笑言道。幽默、实在的性格毕显无疑。

2014年，带着满身所学，刘畅回到了祖国，并选择了“离自己家比较近”的南方科技大学入职，香江畔这个教育改革的先锋高校是他梦想启航的地方，这里聚集了一大批和他一样从海外归来的精英。在深圳市人才计划和学校的大力支持下，虽然回国的时间并不长，但是刘畅的科研和实验室建设进展都很顺利。2015年，刘畅入选“青年千人计划”。

南方科技大学近年来将实验凝聚态物理，特别是角分辨光电子能谱仪等方面的研究作为学科发展重点之一。它在实验室硬件方面已经积累了一定的基础，包括筹备的凝聚态物理多功能测试平台将于2015年交付使用等。

与此同时，刘畅还与一大批相关方面的研究专家保持密切的合作关系，这其中包括国内外的晶体和薄膜生长专家（南科大校内、加州大学洛杉矶分校（U C L A）、普渡大学、爱荷华州立大学等），同步加速器科学家，电子输运测量专家，S T M专家（南科大校内等），理论计算专家（南科大校内、普林斯顿大学等）。

凭借这些以及自己对美国及世界各国高校或研究所的教学和科研管理工作的经验，刘畅计划将自己在实验凝聚态物理方面的研究深入并拓展，包括（但不限于）利用角分辨光电子能谱仪（A R P E S）研究以下几类在过去十年蓬勃发展起来的新颖的电子学系统：具有不寻常拓扑性质的凝聚态系统，包括拓扑绝缘体、拓扑晶格绝缘体等；铁基高温超导体；以及石墨烯以及相关的低维电子系统、异质结构等。




目前，作为团队负责人，刘畅已经组建起一支小型却很精干的队伍。这支队伍成员的平均年龄不超过35周岁，拥有凝聚态物理或材料学相关的博士或硕士学位，研究团队中的工程师经过极其严格的实战操练，是全国少见的仪器方面的人才。目前，刘畅已经和美国一所大学达成联合培养博士生的意向，以吸引更多更好的人才加入。

虽然工作很繁忙，但刘畅依然对生活保持着“80后”特有的激情，登山、旅游、摄影……对他来说，工作是个“万花筒”，而生活何尝不是一个更神奇的“万花筒”，无论做什么，都要从中找到乐趣，乐即不知疲。

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