静心探索重要的基础科学问题不求“短平快”70后物理学家翁红明******
翁红明在讲解电子运输理论。
田春璐摄
人物简介：
翁红明，1977年出生，现为中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室研究员、博士生导师。主要致力于凝聚态物理计算方法和程序的开发以及新奇量子现象的计算研究，成果入选2015年度中国科学十大进展、英国物理学会《物理世界》2015年度十大突破、美国物理学会《物理评论》系列期刊创刊125周年纪念文集等。
在中科院物理研究所（以下简称“物理所”）的年轻人里，研究员翁红明是小有名气的一位。就在刚刚过去的2022年，他因在数学物理学领域的杰出贡献，获得第四届“科学探索奖”。
在国际计算凝聚态物理研究领域，翁红明成果颇丰。其中最为人称道的，是他和同事们合作首次在固体中观测到外尔费米子和三重简并费米子的准粒子。这是国际上物理学研究的重要科学突破，对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术的诞生具有非常重要的意义。
自由思考、厚积薄发，真正对人类文明有所贡献
1928年，英国物理学家保罗·狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年，德国科学家赫尔曼·外尔指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷，却不具有质量，因而具有确定的手性（指一个物体不能与其镜像相重合，如我们的双手，左手与右手互成镜像，但不能重合）。
但是80多年过去了，科学家们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。直到2015年1月初，中科院物理所方忠研究员带领的研究组与普林斯顿大学研究小组合作，从理论上预言了在以砷化钽为代表的一批材料中存在着外尔费米子。此后，这个理论预言经过实验得到了进一步验证。
在研究过程中，翁红明发挥了至关重要的作用。他从发表于1965年的一篇实验文献中受到启发，并通过第一性原理计算，初步认定砷化钽晶体等同结构家族材料可能是无需进行调控的、本征的外尔半金属。这类材料能够合成，没有磁性，没有中心对称，是实验制备、检测都非常便捷的绝佳材料。
翁红明说：“这一发现的难度在于，从众多材料中找到合适的对象犹如大海捞针，必须对外尔费米子和材料物理特性都有相当认识才行。”
在外尔费米子被发现的一年后，翁红明和同事们又进一步“预言”：在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态。
2017年6月，这个新预言被实验证实，三重简并费米子被首次观测到。这是物理所科研团队继拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔费米子之后，在拓扑物态研究领域取得的又一次重要突破，引起国际物理学界广泛关注。
成绩源于多年的深耕积累。翁红明很享受在物理所工作的经历：“这无关荣誉，我找到了更感兴趣、更加深入的研究领域和方向。”
自由思考、厚积薄发，一直是翁红明喜欢的学术氛围。他所追求的不是多发表文章，而是能攀登科学高峰，真正对人类文明有所贡献。
科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够的
作为理论物理学家，翁红明专攻量子材料的计算和设计。
物理学通常分成两大类，即理论物理和实验物理。理论物理通过理论推导和公式推算得出的结论被称为“预言”，“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认的科学事实。
在翁红明看来，他接连获得的几次重大发现，都离不开与同事们的通力合作。这，也是他做科研一直特别重视的一点。
“理论预言、样品制备和实验观测，这三个环节缺一个都不行。”翁红明说，“在当今科学领域细分程度非常高的情况下，科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够的。当有重要任务目标时，我们几个小组紧密合作，在理论、样品、实验等环节实现了环环相扣、无缝对接。”
在许多人的想象中，理论物理学家的工作，就是每天独自埋头在稿纸堆里计算推演，然后坐着冥思苦想、灵光乍现。
但翁红明认为，计算推演的确要做，思考分析也不可少，但和同行们的交流也非常重要。他每天上班的第一件事就是查看和了解国际上最新的科研进展，然后分析、思考、计算，再把自己的想法跟同事们交流。“很多时候，我的一些想法，或者说突然的一些灵感，其实都是在思考、交流和工作过程当中产生的。”
“发现三重简并费米子”这一成果，就源于翁红明和石友国、钱天两位同事一次喝咖啡时的思想碰撞。
物理所的咖啡厅在学术界享有盛誉，不但因为咖啡好喝，也因为常有科研人员汇聚在此畅聊科学、各抒己见，聊着聊着，灵感经常“火花四射”。
和大家一样，翁红明、石友国和钱天工作之余也喜欢在咖啡厅一聚。翁红明有什么新想法会第一时间告诉他俩；石友国和钱天在实验过程中有什么新发现或疑惑，也会第一时间反馈给翁红明。
“闲聊中就能交换信息，我们的交流是完全敞开的，毫无保留地让大家知道彼此做了什么。”翁红明说。
翁红明告诉记者，在科研道路上，自己非常珍视的成功秘诀有两个，一个是注意总结和积累，另一个就是跟别人多交流。
“目前我努力发展基于大数据和人工智能的凝聚态物质科学研究，其实也是基于这两点考虑，因为所有人的知识积累都体现在这些数据当中。”翁红明说。
做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题
1977年，翁红明出生在江苏泰兴一户普通人家。他的父母都是农民，家里还有一个姐姐。
初中开始，翁红明第一次接触到物理，从此便沉迷其中。“物理让我对周围的世界有了更深入的了解和认识。”翁红明说。
兴趣是最好的老师。对物理的热爱，指引着翁红明叩开了物理科学的大门。
1996年，翁红明参加高考。在填报志愿时，他毫不犹豫地将所有的志愿都填上了物理。最终，他如愿被南京大学物理系录取。
南京大学的物理系在凝聚态物理领域积淀很深。翁红明在这一领域进行相关知识的学习与研究，一学就是9年，直到博士毕业。毕业后，他去了日本的东北大学金属材料研究所做博士后研究，主要研究各种材料的导电性质。
到日本一年半后，翁红明萌生了转换研究方向的想法。
“我想要转到计算方法和程序的发展上，这是凝聚态物理领域中一个最基础也是最具有核心竞争力的方向。”翁红明说，“如果想要在这个领域有长远发展，就要在这个方向上有一定的积累。”在他看来，静下心来探索重要的基础科学问题，要比做一些“短平快”研究更有意义。
想归想，但真正下定决心，翁红明也经过了一番纠结。
他坦言：“当转到一个更基础的方向，也意味着你在未来的几年甚至是更长的时间里都需要耐得住坐冷板凳。所以必须做好思想准备，去做一些积累性的工作。”
2008年，翁红明的人生又有了一次重大转折。
那一年，物理研究所研究员、博士生导师方忠到日本访问交流，翁红明跟他进行了深入的交谈和讨论。
翁红明告诉记者：“他跟我介绍了当时做的一项很有意思的工作。虽然我那时并没有很深刻的理解，却受到很大的启发——做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题。”
在方忠的影响下，2010年，翁红明决定回到国内，入职物理研究所，成为方忠团队的一名成员。
翁红明说：“每个人在一生当中可能会跟很多人交往交谈，但在人生重要转折时刻能够给你启发的却不多。能有这样的机遇去跟方忠老师交流并受到启发，我觉得这是非常宝贵和幸运的。”
在新的一年里，翁红明说自己有很多研究工作要做，尤其是如何在拓扑电子学器件研究方面取得突破，促使拓扑电子态理论变成可落地应用的技术。而这，需要跟器件和应用等方向的研究人员进行交流和讨论。
翁红明相信，拓扑时代的黎明时分正在临近。（记者 吴月辉）
【我们这十年@坐标中国】“掘速之极”，“煤海蛟龙”掘出能源保障线******
中新网北京10月9日电题：“掘速之极”，“煤海蛟龙”掘出能源保障线
记者 宋宇晟
一提起“煤矿采掘”，很多人脑海中很自然就会浮现出满脸煤灰的矿工形象。
但你或许想象不到，如今的煤矿工人不仅不需要出大力、流大汗的人力挖煤，还用上了我国完全拥有自主知识产权的“采掘神器”，只需要几位工人站在安全位置操作、按下几个按钮，机器就能自动采掘，工作量还达到了原来的3-4倍。
这件“采掘神器”是什么？
这里所说的“采掘神器”，指的是掘支运一体化快速掘进系统。根据不同地质条件配套，整个系统最长可达200多米，重量高达230多吨。
中国煤炭科工集团首席科学家、快速掘进系统总设计师王虹称之为“煤海蛟龙”。该系统由掘锚一体机、锚杆转载机、柔性连续运输系统和协同控制平台等部分组成。
其中，可伸缩的巨大的滚筒是它的利齿，负责挖掘；前方的旋转刀盘好似“巨龙”的舌头，把割下来的煤块源源不断地拨到嘴里，而龙的脊椎和顶部、侧面的龙爪负责支护，龙的身体则负责运输。
就这样，整个系统完成了从采掘到支护再到运输的一整套工作。
快速掘进系统。中国煤科供图为何能称为“煤海蛟龙”？
和今天的先进技术相比，传统掘进技术工序繁多，技术水平低，造成采掘比例严重失衡，每月平均进尺仅约180米，再加上工作面水、瓦斯、顶板、粉尘等严重威胁人员与装备的安全。
一直以来，国内外未形成掘进、支护、运输平行作业的掘进作业线，掘进更是成为煤炭安全绿色高效开采的短板。掘进、支护、运输不能平行作业，堪称“世界级难题”。
王虹直言，针对这样的问题，2012年，中国煤科便提出了“快速掘进”的构想。
2013年，第一代掘支运一体化快速掘进系统1.0同时也是世界首套快速掘进系统在神东煤炭集团投入工业性试验。2018年，第二代掘支运一体化快速掘进系统2.0，实现系统设备系列化和模块化，系统适用范围拓展到中等稳定围岩及较复杂地质条件。2020年，第三代智能掘支运一体化快速掘进系统3.0应用而生，可靠性、安全性和智能化进一步得到提升。
研发过程中，科研人员提出了“掘支运三位一体”掘进方法，将原本各自分离的掘进、支护、运输工作结合一体，成功开发了掘支运一体化快速掘进成套技术、工艺和装备，取得了完全拥有自主知识产权的多维度协同支护、大功率全宽截割、柔性连续运输等核心技术突破，首创“掘支运一体化快速掘进关键技术与装备”，实现了煤矿掘进由半机械化向完全机械化和自动化的重大技术变革。
这一技术与原有掘进方法相比，掘进速度提高2-3倍，作业人员减少2/3，有效缓解了采掘失衡。
掘锚一体机。中国煤科供图煤矿掘进“掘”出世界纪录
回顾历史，最早的煤炭开采工作，全部要靠人力去挖掘，靠的是肩扛、手抬；慢慢地开始采用风钻和炸药；到了现代，才实现机械辅助。陕煤集团黄陵二号煤矿总经理易瑞强坦言，虽然开采手段有所变化，但掘进效率和安全问题一直困扰着煤矿工人。
巷道掘进作为煤炭开采的先行基础工程，约占煤矿井下采掘工程量的70%-80%。而我国每年新掘巷道13000公里，位居世界第一，工程量巨大。
面对这样的工程量，掘支运一体化快速掘进系统的应用，不仅显著提高了煤巷掘进效率、降低了作业人数，还改善了掘进工作面环境，实现了高效捕尘、除尘，保障作业人员的职业健康。
同时，这项技术突破更“掘”出了世界纪录。2014年，在稳定围岩条件下，月最高进尺3088米，创造了大断面单巷掘进世界纪录，是煤矿平均掘进速度的10倍以上；2022年5月，在中等稳定围岩条件下，月最高进尺2086米，掘进效率提高3倍；2022年3月，在复杂围岩条件下，月最高进尺856米，掘进效率提高1.5倍。
以“中国创造”打造“中国速度”
王虹告诉记者，掘支运一体化快速掘进系统的应用，开启了煤巷掘进的全新模式，实现了我国巷道掘进技术与装备从“跟跑”到“并跑”再到目前“领跑”的转变。
2021年，掘支运一体化快速掘进系统入选“科创中国”先导技术榜，极大地促进了创新链和产业链的深度融合，以科技创新助力绿色矿山，以“中国创造”打造“中国速度”。
如今，掘支运一体化快速掘进系统已遍布在晋陕蒙等各大型煤企集团，并在不同地质条件下广泛推广应用。
作为我国能源安全的“压舱石”，煤炭当前仍是我国最主要的能源。先进的煤炭采掘技术，有效保障了我国煤炭资源稳定供应。今年以来，在全球能源供应偏紧背景下，我国持续做好煤炭增产保供工作，将能源的饭碗牢牢端在自己手中。
记者了解到，中国煤科太原研究院正在进行第四代智能掘支运一体化快速掘进系统4.0中的核心技术攻关，将全面提升快速掘进系统工艺与智能化技术水平，不断加速智慧矿山建设向“少人化、无人化”的目标迈进。(完)
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