我希望成为一名科研之海中的远航水手

中国科学院大学 2023-05-13

收录于合集 #国科大·青年 64个

编者按：解释自己的科研课题和数据模型时，中国科学院大学（以下简称“国科大”）2019级博士研究生刘佳奇如同在描述一件静心打磨的艺术品，“类似自由电子和空穴在晶体中不断地加速、减速、散射和复合，准晶体画出更为‘优秀’的曲线……”

物理理论探索中的不确定性，让刘佳奇着迷。作为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院激光诱导超快电子动力学课题组的一员，近期他与国科大博士生导师卞学滨的研究成果，发表在物理学领域国际顶级期刊Physical Review Letter（《物理评论快报》）。本期官微“青春榜样”专栏，国晓薇带你走进刘佳奇的科研海洋，看看他如何乘风破浪。

“学物理的人用不着对物理方程的意义操心，只要关心物理方程的美就够了。”英国理论物理学家保罗·狄拉克1974年在哈佛大学演讲中的语出惊人，展现出学者们对物理之美的迷恋和追寻。
解释自己的科研课题和数据模型时，国科大2019级博士研究生刘佳奇如同在描述一件静心打磨的艺术品，“电子和空穴不断地加速、减速、散射和复合……进而辐射出高频电磁波，那就是我们研究的高次谐波。”

作为中科院精密测量科学与技术创新研究院激光诱导超快电子动力学课题组的一员，近期他与卞学滨研究员的研究成果——Fibonacci准晶体中高次谐波产生机制方面的新发现，在物理学领域国际顶级期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》）发表，“与晶体相比，准晶体系的谐波产率更高、频谱范围更宽，有望成为新一代高效的凝聚态高次谐波源。”

刘佳奇（左）和他的导师卞学滨（右）讨论数据

打通新路踏上无人小径

“如同开盲盒一样，物理理论探索中的不确定性让人着迷。我不知道未来准晶体中的高次谐波还能实现哪些突破，但我相信，它作为一个新课题，引起大家兴趣之余，仍有许多未知等待探索。”刘佳奇说。

准晶体，是一种介于晶体和非晶体之间的固体，它的原子排列具有非平移周期性的特殊序。高次谐波则是强激光与物质相互作用过程中产生的极端非线性高频电磁波。

准晶体和高次谐波，本是两个不相关的研究领域，而刘佳奇和他的导师卞学滨选择打通它们，做第一个“吃螃蟹的人”。由于此前没有人做过类似工作，他们的论文在审稿过程中几经周折。

两个领域的首次结合收获了意想不到的效果：与晶体相比，准晶体系的谐波产率更高、频谱范围更宽，这些优秀性质更好地解码了准晶体特殊结构。“准晶体高次谐波可以作为一种全光学手段来探测准晶体的结构和电子动力学，而以往强场物理学（一门研究超短超强激光与物质相互作用的科学）研究中并未涉及。”刘佳奇表示。

有趣的Fibonacci准晶体：（a）Fibonacci数列（兔子问题）与Fibonacci准晶体之间的关系示意图。（b）Fibonacci准晶体高次谐波示意图
疫情期间，较为“空闲”的居家时间使得刘佳奇有机会静心重温中国半导体技术奠基人黄昆院士的《固体物理学》，书中对于无序体系、准晶体的介绍一直深植于刘佳奇心里。
“当时我被书中准晶体的奇特结构图案深深吸引，但当时没有立刻和课题结合起来，毕竟之前没有类似的研究工作。”
直到观察师弟曾爱武和导师卞学滨利用统计涨落的线性原子链模型来解释液体高次谐波的工作时，刘佳奇突然想到，“既然无序的液体可以产生高次谐波，那么不具有平移周期性但具备特殊序的准晶体是否也能产生高次谐波呢？”
“当我把这个不成熟的‘小火花’和卞老师说了以后，没想到得到了大力支持。”“做科研就要勇于创新。”——正是卞学滨的肯定和帮助，促进了准晶体高次谐波研究从“小火花”一点点燃烧起来。

夯实基础积蓄理想之塔

仰望牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、普朗克和玻尔兹曼等物理学巨匠，他们的工作成果成为现代物理学研究基石，并影响着人们对于宇宙运行法则的认识。正是这些“神来之笔”，绘制出基础研究的参天大树，并不断开花结果。
理论物理常常被称为“基础”研究，也许体现的不只是人们不断探索各种自然现象背后基本规律的学科站位，还有一条纵贯其间的主旋律——周而复始的科研日程、循环往复的数值模拟和基础课程的奠基。
从“基础”出发，在“基础”上步步发芽，刘佳奇和“基础”不只一个故事。“到研究所开展课题研究时，有机会站在导师的‘肩上’，从事领域前沿研究，挑战自己——这是我入学第一年选择基础理论课程时脑海里经常出现的画面，而我目前正在经历。”《凝聚态中的光物理》《密度泛函理论》《高等量子力学》……随着科研不断深入，刘佳奇深刻感受到基础理论课为研究开展产生的深远影响。
“起步时的科研课题主要是利用含时密度泛函（TDDFT）进行不同晶体电子动力学模拟，这花费了我不少时间。但无奈于计算量巨大，我只好将研究重点改变为只针对一维TDDFT的研究，并做了一些晶体谐波辐射的工作。”刘佳奇后来的准晶体高次谐波辐射研究中便活用了类似方案，以已有的研究基础作为桥梁，“将准晶体复杂的能带结构近似地转变为晶体单一能带的多阶平移，并将问题的分析回归到了熟悉的晶体谐波的研究方法。”
事实上，基础能给予的馈赠不只是经历积累，“在涉足新领域茫然中，在调整聚焦方向困惑时，在灵感火花降临时，老师们总在背后鼓励支持着我们，还有国科大和课题组攻关创新的文化氛围，让我受益无穷。”

卞学滨（左五）课题组成员

数据为伴沉浸理论之美

文献阅读、编程、数据处理、总结思考、猜想、验证、修正、讨论和完善，刘佳奇将自己科研日程分为周而复始的九步。论文打磨的过程他则分为两个“循环”：计算—讨论—计算，修改—讨论—修改，如此回环往复……窗外的世界喧腾斑斓，实验室里，只有电脑程序代码陪着自己。
对于每天与无数人会面、辗转多地处理事项的人，这样的孤独与单调似乎不可想象，然而与实验仪器为伴，与数据为友，沉心理论之美的世界，又是许多人不能触碰的“奢侈”。

“做科研时，我感觉就像在大海上航行，让人向往又敬畏。如果可以，我希望成为一名科研之海中的远航水手。”沉浸于此，刘佳奇期待与导师卞学滨，通过怀柔科学城综合极端条件实验装置中的阿秒激光超快实验子系统，验证他们的“理论之美”。

刘佳奇进行数据分析
“研究中准晶体平移周期性的破缺这一重大障碍，在我们的努力下反而成为研究特色。”当常规规律不能应用时，理论世界似乎引导着课题组寻找新的突破点。刘佳奇描述中的理论物理世界，仿佛成为一个充满正能量的“亦师亦友”——个体和团队努力下，可以打通微观世界新的航路，获得更积极的反馈。

“从科研实践经历中可以肯定一个道理，越是接近最前沿，我们的奋斗对世界的影响会越大。”在刘佳奇看来，抽象的理论之美，开始变得鲜活可触起来。

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