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 楼主: 王德奎|查看: 2876|回复: 27
[探讨研究] 

基础科技人才助国力扎根跃升之谜

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:15:18|显示全部楼层
2019年5月23 日“微博”网发表《任正非竟然也听信关于斯贝发动机引进和吴仲华养猪的谣言》一文,作者“非恒道”说:“说吴仲华成为工程热物理学科组组长是在湖北养猪,明显就是瞎扯。而且吴仲华在斯贝发动机引进前后,工作地点,也主要是沈阳,怎么会跑去湖北,还去养猪?当然吴仲华也受到过政治冲击,第一次是1958年反右派时,第二次并不是很多人想象的那样,而是在1964年的四清运动中……这个谣言是怎么来的呢,笔者推断任正非应该受到一篇名为《干校猪圈里的‘斯贝发动机之父’──吴仲华 》,和类似的文章《知识越多越反动的‘臭老九’──吴仲华,还在五七干校养着猪呢!》等影响”。“非恒道”说“吴仲华也受到过政治冲击”的意思,和陈欢欢就说的“造反派”、“四人帮”等原因,无非是一样。
吴仲华是1954年全家(夫妻二人和两个孩子)就已经离开美国──他们以赴欧洲旅游为名,取道英国、瑞士、奥地利、捷克斯洛伐克和前苏联回到祖国。1955年应清华大学副校长刘仙洲先生聘请,任清华大学动力工程系教授兼系副主任。在清华吴仲华受到大字报批判,成为清华两面大白旗之一,被批为白专道路。到1959年清华大学校党委为吴仲华平反。一切都是那么顺风顺水,可是1964年开展四清运动试点,吴仲华作为领头人在运动中受到冲击。1969年到410厂工作,任811丙压气机负责人。这就是“非恒道”说在沈阳。
B、三元流动理论之美
在上世纪40年代,发生了一件“不起眼”的“大事”──电子计算机在美国诞生。当时人们并未预料到其变革性的影响,吴仲华却洞察先机,成为国际大规模科学计算的开拓者之一。1950年他经过严格的论证分析,做出两大颠覆性突破:一是摒弃当时公认的视叶片为孤立翼型的方法,将难以计算的黏性选项代之以熵的梯度,提出吴氏方程;二是抛弃当时流体力学界推崇的解析求解方法,把复杂的三维空间流动分解成几个简单合理的二维计算,使得利用计算机进行数值求解成为可能。这项工作一经发表,掌声和质疑声纷至沓来。
吴仲华最突出的贡献在于创立“叶轮机械三元流动理论”,被国际同行称为“吴氏通用理论”,广泛应用于先进航空发动机设计。在国内吴仲华牵头创立了工程热物理学科,提出“能的梯级利用与总能系统”思想,对我国的能源规划产生深远影响。三元流动理论至今经久不衰、应用广泛,三峡水利枢纽工程水轮机的设计也应用了该理论──原因是这个理论,完美结合了丰富的想象力、清晰的物理概念、严格的数学演绎和方便的工程应用,体现了工程科学之美。1980年吴仲华在党中央书记处举办的科学技术知识讲座上,提出著名“温度对口、梯级利用”的用能思想,后在《红旗》转载,成为县团级干部必读教材。1990年73岁的吴仲华应邀赴美国讲学4个月,由美国宇航局录像,出版专著,作为其培训教材。在场的人都明白,吴仲华心底的那句话一定是:中国人搞出的理论,一定要为中国人民服务。
C、电子计算机和三元流动理论结合
二战之后航空工业受到前所未有的重视,为提高飞机发动机性能,各国都投入重金。但航空喷气发动机(燃气轮机)技术含量极高,求解其内部流动的控制方程组,即使在今天仍是“不可能的任务”。但来自中国的年轻人吴仲华,博士毕业才3年确敢挑战权威、挑战经典,解开这道难题做出影响整个工业界的理论突破。
国外学者曾总结,上世纪50年代初,叶轮机械界发生了两件大事:电子计算机的发明和叶轮机械三元流动理论的创立。此后,航空发动机发展走上“快车道”,世界三大飞机发动机制造商罗罗、普惠和GE的先进发动机,纷纷实现商用──这在上世纪40年代发生的第一件“不起眼”的“大事”,接着是电子计算机在美国诞生,但当时人们并未预料到其变革性的影响;此时吴仲华和妻子李敏华,刚从美国麻省理工学院取得博士学位,双双进入美国宇航局前身咨询委员会工作,让吴仲华完成了电子计算机和三元流动理论的结合。
吴仲华,1917年生在上海。1935年18岁考入清华大学机械系。日本发动全面侵华战争后,吴仲华中断了在清华的学业,毅然参加了交通兵辎重兵学校,学会了驾驶和修理卡车装甲车的技术。然而学成之后,毕业生却被禁止直接参战,吴仲华这才回到西南联大继续学习。1943年吴仲华和夫人李敏华获得了公费前往麻省理工留学的资格,他选择了内燃机专业,夫人李敏华选择了航空系。到了1947年二人以优异成绩获得了博士学位,李敏华更是麻省理工历史上第一位航空系毕业的女博士。为了进一步深造,二人以外国人的身份进入美国国家航空咨询委员会刘易斯飞行动力实验室工作。
很快吴仲华开始了传动学和叶轮机械流动的研究,这成了吴仲华享誉世界的开始。1950年他发表了一系列关于叶轮机流体研究的论文论文,创立了国际公认的叶轮机械三元流动的通用理论,改变了全世界对叶轮机械的认识。英国人在他研究的基础上,才研发了斯贝发动机,人类航空也正式宣告进入喷气式时代。
我国未能首先走上自主研发道路造出航空燃气轮发动机,不仅仅是吴仲华的遗憾,也是全中国的遗憾──燃气轮机被誉为“国之重器”,中国却由于历史原因,屡屡错失自主研发的机会──上世纪中期,当时世界上的几个大国,英国、美国、苏联都走上了自主发展燃气轮机的道路,而中国却因为战争、建国后接受苏联援助而跟着仿制、“两弹一星”后没有适时转向航空等原因,直到今天依然不能完全独立制造──最希望看见国产航空发动机的人,非吴仲华莫属,他的理论加速了全世界航空发动机性能提升的进程。多位曾陪同吴仲华出国访问的助手都不约而同地提到,国际同行极其尊敬“大名鼎鼎的吴”,甚至连正在研发的飞机发动机都允许他参观。
吴仲华1992年去世时,美国机械工程师学会在新闻中罗列了采用其理论设计的一系列先进航空发动机,称他为“叶轮机械先锋”。迟到总比不到好──虽然科学是国际化的,但是科学传播却应该具有本土特色,一切拿来主义都有可能因为水土不服而丧失掉理论的指导意义,所以科学传播应该是“全球本土化”的,即消化吸收并结合本土实践,创新性地提出具有中国特色的科学传播理论。随着我国启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项,能否解决“航空心脏病”的问题,还看今朝。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:15:48|显示全部楼层
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4、新时代基础科学顶级人才研究
1)研究曹原现象的启示
查“百度百科”网“曹原”条目的“编辑”介绍是:“曹原(美国学者、麻省理工学院博士生),男,1996年出生,四川成都人。2018年12月18日曹原登上《自然》年度科学人物榜首”。接下来说的是:“2007年到深圳耀华实验学校读书,曹原用了三年的时间读完小学六年级、初中和高中的课程。2010年高考总分为理科669分,考入中国科学技术大学少年班。2014年曹原荣获中国科技大学的郭沫若奖学金。2018年3月5日《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现,第一作者曹原来自中国,他 发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应轰动国际学界”。
受文小刚教授2004年由我国高等教育出版社翻译出版的《量子多体理论──从声子起源到光子和电子起源》一书的影响,我们研究凝聚态物理,关注新时代基础科学国际顶级人才,注意到凝聚态物理学家方忠和曹原。2019年8月1日中国科学院公布院士增选初选名单到2019年11月22日公布增选正式结果名单期间,发生绵阳市争曹原和孝感市争方忠出生地类似的趣事,我们称为“曹原现象”。
2019年11月26日“孝感新闻”网孝感广播电视台发表《超厉害!这个孝感人当选中科院院士》一文,说2019年“11月22日,中国科学院2019年院士增选结果公布,48岁的方忠当选数学物理学部院士,为新当选的2名最年轻的院士之一。汉川市民竞相传颂喜讯:汉川人方忠当选为2019年中国科学院院士了!方忠在汉川出生,是地地道道的汉川人,其父母祖籍山东,均是南下干部。1981年方忠从汉川城关二小毕业考入汉川一中初中部,1987年从汉川一中高中毕业,保送华中理工大学(现华中科技大学)物理系,先后于1991年、1996年在华中理工大学物理系获得学士、博士学位”。
而查“百度百科”网“方忠”条目的“编辑”介绍是:“方忠,男,1970年生于武汉,1991年在华中科技大学 物理系获得学士学位,1996年在华中科技大学激光国家重点实验室获得博士学位”。
“曹原现象”起因2019年10月9日,在绵阳市原公交公司工会主席陈奎先生的新书长篇小说《沙土地》的送书座谈茶会上,绵阳市就业服务管理局科长,业余兼任绵阳市欧阳修文化研究会理事长、绵阳市社科联主办杂志《绵阳论坛》特邀编辑的刘文传先生,告诉我们:“21岁就在2016年《物理评论快报》上发表对扭曲双层石墨烯的研究、引起凝聚态界广泛兴趣的曹原,是出生在绵阳市游仙区,父母也是游仙区的人。不久前曹原来绵阳,还被南山中学等请去作过学习交流报告”。我们立马说明,网上介绍曹原是“成都人”。
刘文传先生说他也是听一些老师说的,可以去问问。我们关注曹原,是想说明今天的基础科学前沿发展,是一片光明,鼓励大家向前看;而不是有人说的基础科学前沿研究“暗淡”。但了解了一段时间,问不到信。我们再请教刘文传先生,要他具体说出一个可靠的知情人,我们好去访问。刘文传先生说,他不久前在游仙区政协参加一个会议,听姜曦主席说曹原的父母是游仙区的人,曹原出生在游仙区
我们认为这是一件好新闻。因为曹原22岁就在绝缘体超导研究中做出世界性贡献,但成都在争曹原是成都人。我们想了解曹原的父母真是不是游仙区的人,和曹原有关的成长道路。于是过后我们就给游仙区政协办公室打电话,想约个时间好拜访一下姜曦主席。游仙区政协办公室接电话是一位周女士,她听了我们说的情况后,她说我们反映的情况,要作审查后才能回复。过了一周还没有回复电话,我们又打电话去游仙区政协办公室。接电话的仍是周女士,我们并向她说明,游仙区人大主任、前任游仙区政协主席的袁玉国主任也认识我们。她听后才说,她马上去问问姜曦主席。不一会她打来电话说:“姜曦主席说,他没有说过是曹原,说的是曹斌”,电话就挂了。
有一次,我们遇到游仙区人大袁玉国主任,向他说明此事。他说问一般情况用不着“审查”,但他不知道“曹原”,知道有个“曹斌”。争凝聚态物理拓扑绝缘体超导材料研究杰出人才方忠院士和曹原博士出生地,也说明今天国内外基础科技前沿研究形势一片大好。其次也说明新时代基础科学顶级人才的成长,条件比过去多,移居选择寻找适合的土壤,使得这类人才出生地变得扑朔迷离,也正常。
2)今天基础科学前沿研究形势光明不是“暗淡”
A、认为基础科学前沿形势“暗淡”会找错方向
2020年1月2日新浪网“志杰海明博客”专栏“一家之言(33)”,发表《周传海:有感物理学研究陷入困境》一文说:“物理学研究陷入困境,已是不争的事实。不否认,西方人构建的以技术为支撑,以经验为基础的知识体系,为人类的物质文明进步做出了巨大贡献。但这个知识体系也存在着巨大的、难以克服的缺陷。即只能解决局部的、形式的、特殊规律的认识;而解决不了全局的、本质的、一般规律的认识。永远无法回答‘是什么、为什么’的科学问题,因此,在西方人构建的知识体系框架内,用物理学的方法去研究宇宙、物质、力……等问题,就如同盲人瞎马乱跑、没头苍蝇乱撞,永远不会有结果”。
周传海先生说:“化学家研究的那些东西,才应称作物理学;经典物理学家研究的那些东西,应称作质量、能量的形式运动原理学(质量、能量还有本质运动);而理论物理学家正在研究的是莫须有,即不存在的东西。这就是当前所谓的物理学研究现状,也是物理学诞生300多年,连物质是什么都没搞清楚的症结所在。本人上述观点以《太极阴阳理论是揭示宇宙运动规律构建完整宇宙学理论的唯一选择》一文,刊登于北相格物(2019/5期)杂志”。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:16:15|显示全部楼层
B、“识相识量”需要也能承受严格实验
2020年1月9日新浪网“志杰海明博客”专栏,转载发表《Science首次发表负面论文: 消失的“天使粒子”》一文,涉及2019年1月8日国家2018年度科技奖揭晓,薛其坤院士带领由中科院物理研究所和清华大学物理系组成的实验团队,因成功在实验上发现量子反常霍尔效应,获得2018年度国家自然科学一等奖──中国人从崔琦、张首晟、薛其坤、修发贤到曹原等科学家,从一维、二维向三维量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子超导立体效应等取得的科研成果,用量子卡西米尔效应原理来作的统一解释。所以该文在国内主流媒体报道、转载得也少,而“识相识量”需要,也能承受各类严格实验。
请看该文说:“《科学 》期刊首次发表负面结果的报告,发现在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流,不是由手性马约拉纳费米子导致” ──近日,美国宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang助理教授、Moses. H. W. Chan教授和Nitin Samarth教授,以及德国维尔兹堡大学 Laurens W. Molenkamp教授课题组合作,发现在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子导致。相关工作于2020年1月3日在《科学》期刊上以Report 的形式在线发表。这一文章期刊编辑及三位特邀审稿人均给出高度评价,一致认为该工作对消除业内过去几年来在手性马约拉纳费米子实验测量方面存在的疑惑和争议具有重要意义。 研究者还通过在量子反常霍尔绝缘体与超导体之间人为添加绝缘层来系统改变其接触电阻大小,也没有观测到2015年理论预测以及2017年实验报道的结果。这些实验结果表明,对“天使粒子”的追寻之路并没有想象中容易,唯有一步一步脚踏实地,对实验结果永远持有着审慎态度,才有可能捕捉到真正的“天使粒子”。
3)直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子
2013年曹原在中国科技大学参加了计算物理课程计划,其目的是利用有限元方法计算铁磁流体在磁场中表面图案的形成。有一篇关于这项工作的研究论文后来发表在《磁性与磁性材料》(Journalof Magnetism andMagnetic Materials)杂志上。2012~2014年曹原在中国科技大学曾老师的指导下,以本科生身份,通过理论方法研究了超晶格对石墨烯及其等离子体性质的影响,研究结果发表在2014年的《物理评论B》(Physical Review B)杂志上。曹原2013年赴英国牛津大学陈玉林研究小组进行交流,在这为期三个月的交流项目中,他做了一些角分辨光电发射光谱实验的数据分析和编程。2013~2014年在中国科技大学参与了用光还原氧化石墨烯制作超级电容器的项目。采用一个可编程的激光划片器将氧化石墨烯还原成超电容器。
2014年至今曹原在美国麻省理工学院,Jarillo-Herrero研究小组担任研究助理。其研究主要集中在基于石墨烯和过渡金属化合物的二维体系及其相互作用和物理性质。曹原对扭曲双层石墨烯的研究已经于在2016年的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇论文;在2018年3月5日的《自然》(Nature)杂志上发表了两篇论文,曹原他们在魔角扭曲双层石墨烯方面的研究,引起了整个凝聚态界的广泛兴趣──这两篇以曹原为第一作者的论文,是发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。
其实曹原的当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,会产生神奇的超导效应的发现,其原理可用以下的类似宏观的直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子等三个唯象图形,来比喻对照简单地说明。
A从卡西米尔效应到多维量子霍尔效应
什么量子反常霍尔效应?从普通人的切身体验说起,手机或电脑用上一段时间就会发热,用不到一天就得充电,越用越卡……这个问题的本质在于电子运动会消耗能量。这不仅是制造算力要求高的电子器件的限制,也是科学界长期关注的难题。要让电子运动绝对无能耗,就必须将其杂乱无章的运动变成“高速公路”一样的有序运动。
对电子运动制定规则的“量子霍尔效应”,成为解决这个问题的希望。但由于实现“量子霍尔效应”需要庞大的外加磁场,成本高昂,因此无磁场的“量子反常霍尔效应”成为科学家的梦想。研究量子反常霍尔效应是科学发展中自然的选择,也是学术发展的趋势。
这就要基于在拓扑物态领域积累的经验,寻找“量子反常霍尔效应”的征途。在理论上,实现“量子反常霍尔效应”所需材料的条件非常苛刻。所以近几年“火”起来的拓扑绝缘体,提供了思路──2009年有科学家从理论上预言了,碲化铋(Bi2Te3)能够实现“量子反霍尔效应”。随后从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的碲化铋等拓扑绝缘体薄膜,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系,预言在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中可真正观察到“量子反常霍尔效应”。基于上述预言,对量子反常霍尔效应的实验开始“大浪淘沙”的攻关,主要开展了分子束外延生长及高质量薄膜制备的实验,制造生长测量了超过1000个样品,随后一步一步对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂碲化铋拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。其中完成的对这一实验现象的极低温电输运测量,获得了量子反常霍尔效应的关键实验证据。
上述的该实验室,2006年成立,掌握着国际领先的极低温输运测量技术。其创始人崔琦就曾因发现分数量子霍尔效应,获得了1998年的诺贝尔物理奖──以崔琦院士名字命名的实验室,能够参与到量子反常霍尔效应的实验发现这一工作中来,是拓扑量子物态研究方面中国人的智慧传承──对不同温度下反应结果的观测,这看起来是一个小目标,但每提高或降低一度都可能意味着重大的新发现。如果无论升高或降低温度都无法解决问题,可能就需要重新分析并开展其他实验。对科学保持着的这种持久的热忱与动力,目前已将量子反常霍尔效应的观测温度从30mk提升到1K,实现了30倍的增长。
量子反常霍尔效应可以用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,克服芯片发热和能量损耗问题,加速信息技术革命进程,但距离产业化应用还有很长的一段路要走──量子反常霍尔效应,它“神奇”又“美妙”,因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍!
那么什么是量子霍尔效应?其原理类似“直搭梯子”──它是电子运动的“交通规则”:在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞。当在导体两端加上电极之后,电子就会形成横向漂移的稳定电流。而电流在传输中会存在能量损耗的现象。如果在垂直于电流方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力,会在导体一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压。当外场足够强,温度足够低时,导体中间的电子会在原地打转,会在边界上形成不易被外界干扰的半圆形导电通道,即量子霍尔效应。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动,降低能量损耗。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:16:47|显示全部楼层
B、凝聚态物理拓扑绝缘体超导材料
量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中,占据着极其重要的地位,它就像一个富矿,一代又一代科学家为之着迷和献身,整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、半整数量子霍尔效应相继获得诺贝尔奖。但是在量子霍尔效应家族,最神秘成员是“量子反常霍尔效应”──不需要外加磁场的量子霍尔效应,迟迟没有被人发现。长时间使用计算机时,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题,这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道,它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应的发现,为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。这是物理学基本研究为未来工业界发展提供的崭新道路。但它的产生需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,这样体积庞大且价格昂贵,显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处,是不需要任何外加磁场,即可实现电子的有序运动,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。2010年左右,包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家,在理论上预言了一种叫做拓扑绝缘体的新的材料。
拓扑绝缘体就是内部绝缘、表面导电的拓扑材料,这些表面导电通道不受表面形貌、非磁杂质等的影响,所以是很好的一维导体。如果在其中掺入磁性原子形成长程铁磁序,这样无需外加磁场,就能形成稳定的基本没有耗散的量子反常霍尔效应。如何用实验来证明上述理论呢?用实验验证量子反常霍尔效应的关键是制备出一种像石墨烯那样,一层一层平整的纳米材料。量子反常霍尔效应对材料性质的要求非常苛刻,如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧:材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。
在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战,正因为此,美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。自2009年起,中国科学院院士薛其坤带领由中科院物理研究所和清华大学物理系组成的实验团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。历经四年努力生长和测量了1000多个样品,利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,将其制备成输运器件,并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值,世界难题得以攻克。
量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律的瓶颈问题,若应用到电子器件中,有望克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题,为半导体工业带来又一次的革命,甚至使巨型银河计算机变得像iPad般便携。它的发现或将带来下一次信息技术革命,我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。在凝聚态物理领域,量子霍尔效应研究是一个非常重要的研究方向。量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应,它不依赖与强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔效应,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。量子反常霍尔效应,是一个基于全新物理原理的科学效应。
通过实验在真实材料中发现量子反常霍尔效应,自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案,然而之前在实验上没有取得任何重要进展。因为反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件:一是材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态,即一维导电通道;二是材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;三是材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献,只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是一个巨大的挑战。这要结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术,在表面、界面、低维物理学领域做出国际一流的工作。而要抓住拓扑绝缘体这个新领域兴起的契机,就要在国际上率先建立拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,利用分子束外延生长出国际最高质量的样品。“量子反常霍尔效应”这项重大发现,不仅是科学上的重要突破,研究成果应用方面也具有意义深远的影响,它将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:17:22|显示全部楼层
C三维量子霍尔效应的直搭梯子原理
中国科学家率先发现的量子反常霍尔效应,经受住了历史的考验,成果论文发表后,实验结果已先后得到东京大学、麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学等科学界同行的反复严格验证。但量子霍尔效应研究:从二维迈向三维“你说这么薄,算二维吗?”以一张A4纸比较,这个厚度最起码已经到几十微米了,但真正的二维是几个原子层厚,仅有几纳米,是纸张厚度的万分之一。量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系,从未涉足三维领域。因为从上表面到下表面的体态穿越,电子做了垂直运动──这类似量子霍尔效应的直搭梯子原理。当然“直搭梯子原理”也包括可能是:电子在上下两个表面,即在两个二维体系中,分别独立形成了量子霍尔效应。
但对“直搭梯子原理”的限制,增大上下两个表面之间的距离,面对千分之一根头发丝粗细的实验材料和快如闪电的电子运动速度,这实验该怎么做?因为实现从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子的深层次原理,都要联系到量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理的类似公开的“基因组学”──卡西米尔效应,这是指在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目减小造成的。它的特别之处是,“卡西米尔力”通常情况下只会导致物体间的“相互吸引”,而并非“相互排斥”。真空是空荡荡的,但据量子电动力学,实际上真空中到处充满着称作“0点能”的电磁能。
“0点能”中的“0”,指的是如果把宇宙温度降至绝对零度(宇宙可能的最低能态),部分能量就可能保留下来。实际上这种能量是相当多的──麦克莱的计算,大小相当于一个质子的真空区所含的能量,可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。平行板电容器在辐射场真空态中存在吸引力的现象称为卡西米尔效应。考虑一个辐射的电磁场,根据波粒二象性,辐射场可以看作是光子气,而光子气可看作是电磁辐射场的简谐振动。电磁场量子化后,可把辐射场哈密顿写成二次量子化的形式。卡西米尔力在纳米系统中的另一个重要应用,是与原子-表面相互作用联系在一起的。
在氢原子或分子和碳纳米结构之间作用的卡西米尔力,在吸收现象中起决定性作用。碳纳米管是一个包含几层同心六边形的石墨柱壳的纳米系统,由于单壁碳纳米管对氢贮存的潜在应用,原子和碳纳米结构之间的卡西米尔力的研究变得非常紧迫。计算表明,氢原子和分子处于多壁碳纳米管内部比外部更优先。卡西米尔效应就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力,延伸为量子卡西米尔现象,由于研究“三旋/弦/圈理论”这三个层次,属于是庞加莱猜的层展和呈展,在计算、应用、理解上的一种方便。它包含了既有环量子三旋理论,又有超弦/M理论,还有圈量子引力理论等所曾主要表达的数学和物理内容。由于三旋/弦/圈(SXQ)理论难以实验检验,研究卡西米尔现象发现,环量子类似一个方板,球量子类似一个方块,从三维来说,方板有一维是对称破缺的。但正是这种破缺,使环量子和球量子的自旋如果存在辐射,那么在卡西米尔效应上是可以实验检验。
这种类比模型不仅能扩展引力场方程及量子力学方程求解的思路,丰富正、负时空联络的几何图象,而且联系卡西米尔效应中两块板之间零点能的量子涨落差异,还可能揭示宇宙物质的起源以及强力、弱力和电磁力等相互作用的秘密。因为如果把引力联结的两个星体比作卡西米尔效应中的两块板,再把引力场弯曲产生的凹陷图象分别粘贴在两块板相对的一面,引力就类似蛀洞的一个洞口与另一个蛀洞的洞口相对这片区域的卡西米尔效应量子涨落产生的拉力强度。
原因是,虽然这种拉力强度远小于星体物质自身的能量密度,但它们已表现出这片区域内的时空弯曲,相对要大于平板外侧的时空弯曲,并是这种弯曲产生的拉力。因为按海森伯不确性原理,所谓真空实际上充满着许多瞬时冒出又瞬时消逝的基本粒子,这些基本粒子中的一部分将通过时空弯曲的凹面进行传播,结果这里的时空弯曲变成一种引力的耦合辐射。这里负能量与反物质的区别是,反物质拥有正的能量,例如当电子和它的反粒子正电子碰撞时,它们就湮灭,其最终产物是携带正能量的伽玛射线。如果反物质是由负能量构成的,那么这样一种相互作用将会产生其值为零的最终能量。但不管是哪种情况,最终这里的引力场时空弯曲辐射差异产生了拉力强度。由此时空弯曲不仅造成类似纤维丛的底流形与纤维的差别,而且也是产生引力和强力、弱力及电磁力等相互作用区别的根本因素。因此求解引力,主要还是应该从爱因斯坦广义相对论的引力方程入手。
量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理的类似“暴露组学”──卡西米尔效应平板之间空间中的虚粒子的数目,比正常数目减小造成的“卡西米尔力”导致物体间的“相互吸引”而非“相互排斥”的真空,“0点能”中的“0”,量子色动化学看重的是“数论”中,所指的普世计算的正、负数对,相加或减类似“量子起伏”等于“0”的“0”;但这里的“正、负数对”的“数”,不限于仅是“自然数”,或实数、虚数、复数──从而把物质的“真空”对应“量子起伏”,也分成两大类真空──包含实数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”,多于虚数或复数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”,称为量子局域性的“量子起伏真空”;而可以等效于量子霍尔效应“电子起伏真空”。反之,包含实数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”少,而虚数或复数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”多的,称为量子非局域性的“量子起伏真空”;而可以等效于变为量子反常霍尔效应“量子起伏真空”。
由此,一般的磁场效应,类似“电子起伏真空”。它看不到“磁粒子”,而类似量子“波动”效应,且也是“量子非局域性”的。在华为搞科研的姜放教授,2018年公开出版《统一物理学(第2版)》一书中,他推证的空间基本单元“量子”,比标准模型基本粒子夸克、电子、中微子、引力子和胶子等小得多,是素数1595819的个数的聚合。例如,姜放认为构成一个电子的空间基本单元数目,是638327600。即至少是6亿3832万多个,且紧密接触的。由此可见,金属低温超导现象引出了BCS理论,两个自旋相反的电子结成对子,名曰的库伯对,实际类似一幅量子卡西米尔效应平板对。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:17:56|显示全部楼层
D、三维量子霍尔效应的斜搭梯子原理
由此总结在凝聚态物理领域重要的科学进展──在超导现象之海,就有几朵浪花。第一朵浪花三维量子霍尔效应的直搭梯子原理,是金属低温超导现象引出了BCS理论,知道了两个自旋相反的电子,可以通过“微信”传情,结成对子,名曰库伯对。这个微信平台,是由金属正离子晶格骨架构成的。两个“男女有别”的电子,通过撞击骨架发出的乒乒乓乓声来互诉衷肠和互送能量,从而失去了独自自由地去远方的诗情。
第二朵浪花三维量子霍尔效应的直搭梯子原理,是铜氧化物高温超导现象引出了高速公路理论,知道了高速公路的运力和最佳车辆密度有关。铜离子的 5个 d 轨道本来是可以半充满的,但是被周围的氧离子挤压得不圆不球之后,只剩下3个能级比较低的可以入住电子的 d 轨道,另外2个 d 轨道的能级太高,电子进不去。结果这些低能级轨道全住满了电子,就像高速公路上划定的非优惠车道上全住满了车子一样,堵塞得大家都动弹不得,结果成了反铁磁的莫特绝缘体。
第三朵浪花三维量子霍尔效应的直搭梯子原理,是超导材料受到高压压缩作用下超导相变温度会有提高的效应。由此可以大胆地猜测,地磁场是由地核中的超导电流提供的,地核中的液态铁受到的超级压缩作用,能使得超导相变温度提高到上千度。即如果继续注入电子,它们就没法再去低能级处占位了,也只好往高能级的那些空轨道上去了,就像高速公路上的双人车优惠车道上进入了少数车辆一样,结果运力又上去了。
这三朵浪花不是孤立无关,超导这种联系的共同基础是,超导相变发生在费米电子的振荡频率小于晶格振子的振荡频率之时,如果把高频率的振子比作墙壁,低频率的振子比作乒乓球,那么超导相变也就是发生在费米电子由墙壁转变成了乒乓球的时候。一个乒乓球在两块木板之间可以借助反复弹跳运动,一路走到很远的地方,这就是超导态。但是一块木板要一路撞开乒乓球才能一路走下去,能量必定会被耗散掉,这就是非超导态。对于液态的地核物质铁来说,它受到的压缩作用是如此的巨大,所以它的晶格振子的频率就天然的够高的了,只需要降低一下费米电子的振荡频率就成了。
为了承受地壳的巨大向心压力,铁原子核之间的前线电子轨道将由吸引势变成排斥势,继续压缩,仅凭反键轨道结构来提供斥力已经远远不够了。这些电子中必须有一小部分被挤压出去,直接由铁原子核的同性电荷相斥作用来反抗地心压力。根据等离激子的振荡频率与自由电子浓度的平方根成正比的关系,地核液态铁的电子外逸正好降低了费米电子的振荡频率,所以地核液态铁是处于超导态的。固体金属的超导态相变就没那么容易了。固体材料的晶格格点之间的结合力越强,该材料的晶格格点本征振荡频率就越大。
但室温下任何材料的晶格格点都存在无序热运动,这种无序热运动的动能,在量子力学里是把它处理成排斥势。同时把对结合力有贡献的作用处理成吸引势,然后两者加在一起作为一个势能项来解薛定谔方程的。要想提高固体材料的晶格格点本征振荡频率,就须降低格点的无序热运动。随着温度的降低,大量的有自旋值的电子通过晶格交换声子,而凝聚成没有自旋值的库伯电子对,剩下的少量的有自旋值的电子,就有了较低的等离激子振荡频率,可以实现由木板角色向乒乓球角色的转化。可以超导相变的铜氧化物中的自由电子,浓度可能在降温过程中变化不大,但铜氧化物晶格的结合力,可能在降温过程中有突跃式的提高,从而实现两者相对波硬度的反转。材料的弹性模量越大,自旋独立的电子浓度的允许值就越大,超导态下的饱和电流强度就越大,实用意义就越大。
三维量子霍尔效应发现的复旦大学物理学系修发贤课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到的由三维“韦尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据──类似一个不是竖立而是横向“斜搭梯子”的原理梯形,即类似多层多幅“斜搭梯子”量子卡西米尔效应平板对现象。这种多层多幅“斜搭梯子”平板对,类似微积分计算光滑曲线的积分无限分割曲线为一个个间断的直线片段办法,使修发贤教授才迈向出量子霍尔效应从二维到三维的关键一步的。
这是复旦大学修发贤教授的课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中,观测到了由韦尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果2018年12月18日在线发表于国际著名的《自然》。然而三维量子霍尔效应真的存在吗?早在130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”──如果将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动可以在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。
以往的实验也证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动,一列朝前,一列向后,像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么,在立体空间三维体系中存在量子霍尔效应吗?
如果有,电子的运动机制是什么?2014年在拓扑半金属领域,选择材料体系非常好的砷化镉“试着研究”,从大块的体材料,到大片的薄膜,再到纳米类结构和纳米单晶,在砷化镉纳米片中看到的现象非常震惊──三维体系里边出现量子霍尔效应──2016年10月修发贤及其团队,第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应。随后,在样品制备过程中借鉴修发贤团队前期已发表的经验,日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是,基于当时的实验结果,实际的电子运动机制并不明确。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:18:28|显示全部楼层
把“房子”放歪──这类似量子霍尔效应的斜搭梯子原理,即不是竖立而是横向“斜搭梯子”的原理,这种梯形类似多层多幅“斜搭梯子”的量子卡西米尔效应平板对现象──这个发现来源于韦尔轨道的运动机制──实验材料虽小,从日常生活联系想办法,利用楔形样品,实现可控的厚度变化──屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化,就类似不是竖立而是横向“斜搭梯子”倾斜的梯形”。
而且通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量,直接受到样品厚度的影响。这说明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明,电子在上表面走四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。整个轨道就是三维的“韦尔轨道”──实现了从二维到三维量子霍尔效应的斜搭梯子原理。
例子是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源,至此三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。但这个成果的诞生,在砷化镉的研究方面才刚刚开始──第一次提出新的机制,得到认可,但还有可以深挖的,还有更具体的东西得继续做细做好。所以三维量子霍尔效应类似斜搭梯子的原理,由复旦大学物理学系修发贤课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中首次观测到开始,由三维“韦尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。三维量子霍尔效应类似斜搭梯子原理发现的意义,从基于三维拓扑半金属材料Cd3As2,发现一种新型的量子霍尔效应,提出了三维量子霍尔效应的来源于三维“韦尔轨道”的观点。
利用楔形Cd3As2纳米片,发现样品厚度对量子霍尔输运产生极大的调制。朗道能级与磁场强度以及方向,以及样品厚度的依赖关系,与理论预测符合。在应用方面这个材料体系具有非常高的迁移率,电子的传输和响应很快,可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。可见斜搭梯子,这也为实现从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子,到寻找螺旋梯子的出现奠定了基础和扩大了想象思考的空间。
E三维量子霍尔效应的螺旋梯子原理
2018年《科技日报》12月19日记者张梦然报道,英国《自然》杂志发布2018年度遴选出的十位对科学界产生重大影响的科学人物,其中四川出生的年仅22岁的中国物理学家曹原,协助发现了让石墨烯实现超导的方法,开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终帮助提高能源利用效率与传输效率。从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子、斜搭梯子、螺旋梯子等三个层次的原理,联系反过来看曹原及其团队的发现,再到与复旦大学修发贤教授课题组发现的比较,在用量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理来统一解释上,和薛其坤院士团队的发现,也有本质一致的地方。
曹原将两层石墨烯叠加在一起,当转角接近魔角即1.1°、同时温度环境达到1.7K(-271℃)时,它们会表现出非常规超导电性,其属性与铜氧化物的高温超导性类似双层石墨烯系统中旋转的效应。其实要想理解什么是超导电性。1911年荷兰物理学家昂内斯等人发现当汞被冷却至接近0K(-273℃)时,电子可以通行无“阻”,而将这个““零电阻状态”称为“超导电性”。超导体的出现,使传输过程中的能量损耗几乎为零。目前绝大多数超导体仅在接近0K(-273℃)温度下工作,维持低温使超导体的应用成本显著提升。如果材料能在室温下实现超导,就能避开昂贵的冷却费,彻底改变能量传输、医疗扫描仪和运输等相关领域的现状。但要找到室温超导合适的材料却不简单。目前材料达到超导状态的最高温度约为133K(-140℃),这种材料就是在20世纪80年代发现的铜氧化物。30多年来铜氧化物一直是物理学家关注的焦点,但铜氧化物的结构往往难以调整,很难通过实验发现其实现超导的机制。
从三维量子霍尔效应的螺旋梯子原理解读曹原的超导研究工作,就是用石墨烯代替氧化铜,让两层石墨烯沿着法向轴相对旋转一度以形成轴向绝缘体,用电场注入载流子代替掺杂配方注入载流子,结果再次证明了高速公路的运力与最佳车辆密度有关。而曹原将两层石墨烯叠加在一起,当转角接近魔角即1.1°的超导现象,其本质的量子卡西米尔效应平板对原理,并没有实质性的变化。这里的奥秘,从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子,仍然属于二维面的直线联系,上下面之间的距离小,增大距离费力。三维量子霍尔效应的斜搭梯子,上下面之间的距离可增大,类似直搭梯子上下面小距离的多层叠加,所以上下面之间的直线距离可增大,实现三维量子霍尔效应类似人爬直搭梯子少费力,但斜搭梯子比直搭梯子类似占地方面积最多。
总起来说,螺旋梯子搭梯子继承斜搭梯子上下面小距离的多层叠加,且占地方面积少,类似人爬梯子费力比直搭梯子也少,实现三维量子霍尔效应的上下面之间的距又可增大。读曹原论文,由此其中最重要发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,会经过一个转变变成一个莫特绝缘体,也确实类似“魔角”──而曹原以确凿的证据,也观测到了这个绝缘相──这就是螺旋梯子原理。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-1-15 18:18:55|显示全部楼层
5、结束语
在我国精英物理学家中,具有普遍性的是对量子卡西米尔效应的平板对之间的空间中的虚粒子的数目,比平板对外面的正常数目减小造成的量子局域性的“电子起伏真空”或量子非局域性的“量子起伏真空”,缺乏真正的马克思列宁主义唯物论认知。例如,北大物理系王国文教授等认为不存在这种情况,并说成是在“否定科学实在论(唯物论)”。原因自然科学教育受“以苏解马”哲学的影响──“修正”了马克思、恩格斯、列宁等革命导师,对物质存在类似虚数性质的承认,看重爱因斯坦把相对论数学公式和计算中明白含有带虚数超光速的问题,在他的文字表达中公开声明要舍掉──在当时追随“以苏解马”,这虽然是一种两全其美的办法,其实也困扰他终生。
对追随“以苏解马”学者的“扶贫”,是苏珊·鲍尔的《极简科学史》一书──其中第一部分第5章“真空”, 苏珊·鲍尔开篇就说德谟克利特提出的原子论:“神灵也仅仅是由原子和‘真空’构成的”。其次,伊壁鸠鲁也像德谟克利特一样,解释我们周遭的物质实体,“并非是由神灵的介入而创造出来的,而是因为原子在真空中不停地旋转,不时意外跳跃,它向旁边随意一跃,撞上另一个原子,然而结合在一起,形成了新的实体”的。
古希腊先哲德谟克利特和伊壁鸠鲁的“原子论”,类似今天科学主流说的“量子论”,是不可分割的。而众所周知的马克思大学毕业写的研究论文,就是关于对伊壁鸠鲁的研究──苏珊·鲍尔说伊壁鸠鲁也像德谟克利特信奉“神灵”──真空,不仅仅是“原子论”。但“以苏解马”称“神灵”为“唯心主义”──这与具体对象“真空”说的“神灵”混淆,因为年青的马克思也赞成像伊壁鸠鲁坚持德谟克利特的“神灵也仅仅是由原子和‘真空’构成的”,这种马列主义的量子论,包括类似0、自然数、实数、虚数存在的数论量子论。
这种特色唯物论的彻底解释,也可见马列主义全球化的初心──这还可以从恩格斯的《反杜林论》中,恩格斯承认虚数是真实存在的,推知和马克思的一致。再到19世纪末,列宁支持玻尔兹曼提出的类似乌托子球原子论──这类似统计热力学的量子论──即可见马列主义的初心。中国不止一个曹原,更不止曹原一个科学家。少年强,则中国强,少年进步,则中国进步,少年雄于地球,则中国雄于地球,以曹原为标志的杰出青少年,正开启中国史上最宏伟的强盛之路,基础科学前沿研究已跻身世界科学之林。
参考文献
[1]B·格林,宇宙的琴弦,湖南科技出版社,李泳译,2002年1月;
[2]王德奎,三旋理论初探,四川科学技术出版社,2002年5月;
[3]孔少峰、王德奎,求衡论──庞加莱猜想应用,四川科学技术出版社,2007年9月;
[4]王德奎,解读《时间简史》,天津古籍出版社,2003年9月;
[5]陈超,量子引力研究简史,环球科学,2012年第7期;
[6][英]罗杰•彭罗斯,皇帝新脑,湖南科技出版社,许明贤等译,1995年10月;
[7]文小刚,量子多体理论──从声子起源到光子和电子起源,高等教育出版社,2004年12月。

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