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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）

有两颗动力“心脏”的智能船舶来了******

“青港拖1”轮 山东港口供图

　　“青港拖1”轮拥有两颗动力“心脏”，即采用“柴油+电力”双驱动模式。除了柴油发动机推进系统，该船配备的电力推进系统同样能提供最大静水航速11.7节、最大续航力4.5小时的动力。通过自主研发的动力配置方案和转换控制算法，操作者使用同一手柄可以操控两套推进系统，纯电力推进和柴油机推进两种模式可实现一键无缝隙智能切换。

　　混合动力的汽车对于大家来说早已不陌生，但混合动力的船舶却鲜有听闻。前不久，全国首艘油电混合智能拖轮——“青港拖1”轮在山东港口青岛港启用，该船采用传统柴油机推进和电力推进双驱动模式，在纯电力模式下可实现零油耗、零排放，创造了拖轮绿色作业的新模式，也为航运业技术创新提供了可复制、可推广、可借鉴的经验。

　　双驱动模式可实现一键切换

　　2022年12月30日，“青港拖1”轮从山东港口青岛港前湾港区码头离港，正式启用。该船长39米、型宽11.5米、型深5.3米，马力为5200匹，采用“自由航行+助泊作业”两种运行模式，主要用于协助进出山东港口青岛港的大船靠泊、离泊和移泊。

　　“青港拖1”轮拥有两颗动力“心脏”，即采用“柴油+电力”双驱动模式。除了柴油发动机推进系统，该船配备的电力推进系统同样能提供最大静水航速11.7节、最大续航力4.5小时的动力。通过自主研发的动力配置方案和转换控制算法，操作者使用同一手柄可以操控两套推进系统，纯电力推进和柴油机推进两种模式可实现一键无缝隙智能切换。

　　“‘青港拖1’轮的柴油机推进系统配置2台主柴油机，单机功率1920千瓦；电力推进系统共配置4套磷酸铁锂电池组，总容量为2760千瓦时。该船的启用，将有效解决传统拖船在航行和作业过程中柴油主机低效能、高油耗、高排放的问题。”“青港拖1”轮船长李瑞峰介绍说，在绝大部分工况下，该船会优先使用锂电池推进模式作业，在满电情况下可支持全船连续作业4.5小时。

　　据山东港口青岛港轮驳有限公司副总经理张雷介绍，“青港拖1”轮由山东港口青岛港历时18个月自主研发，造价约6000万元，设计使用寿命为30年。

　　记者了解到，“青港拖1”轮已取得中国船级社授予的6个附加标志，分别为智能航行（N）、智能机舱（M）、智能能效（E）、智能集成平台（I）、混合动力Hybrid、无人机舱AUT-0，并由此成为中国国内首艘取得智能航行附加标志的全回转拖轮、首艘取得混合动力Hybrid附加标志的全回转拖轮、首艘取得4个智能附加标志的全回转拖轮，以及中国国内取得智能船舶附加标志最多的全回转拖轮。

　　配备6套人工智能系统

　　1月9日凌晨，“青港拖1”轮接到作业任务，自镰湾河基地出发，来到青岛港前湾港区，与其他拖轮密切配合，连续作业5个多小时，协助矿船、集装箱船舶完成安全靠离工作。早上7时许，“青港拖1”轮又行驶到青岛港油港港区，投入到20万吨级油船“伊兰特”的靠泊作业中。

　　“‘青港拖1’轮主要在青岛港前湾港区、油港港区、大港港区进行作业。港内水域船舶通航密度大，航行风险高，为此，船上配备了6套人工智能系统，能有效保障船上人员、设备与自身航行安全，提升港区航行、作业的安全性。”李瑞峰说。

　　记者了解到，“青港拖1”轮使用自主开发的港作拖轮智能化系统，该系统可提供4216个数据点的辅助决策逻辑及解决方案，使船舶的智能化管理成为现实。

　　“全船共有12568个传感器、6套人工智能建模系统，敷设电缆45公里，为常规拖轮的3倍。”“青港拖1”轮总指导电气工程师颜卓翁介绍，“青港拖1”轮搭载多元融合态势感知辅助避碰、拖轮作业辅助航行、机舱“跑冒滴漏”监测、振动监测、噪声监测、智能巡检等6项国内首创人工智能系统，多项前沿技术首次在船舶上应用。

　　以“青港拖1”轮搭载的多元融合态势感知辅助避碰系统为例，该系统将微光补偿高清摄像机、激光测距雷达、超声波雷达进行深度融合，采用AI图像处理、回波点云分布、杂波图像抑制等多项技术与边缘检测算法相结合，实现了集检测距离设定、高保真图像呈现、距离精确显示、夜间图像增强等众多功能于一身。

　　“多元融合态势感知辅助避碰系统是符合港作拖轮工况的最先进辅助避碰系统，可对本船周边的所有目标进行识别、测距并报警，确保‘青港拖1’轮安全行驶和作业。”颜卓翁告诉记者。

　　同时，配合布于全船的12568个传感器，人工智能系统可随时提取相关数据对船舶状态进行实时监控分析，在保障船舶与航行安全的同时，减少人员依赖，使全船配员可低至8人。

　　纯电力模式下实现零排放

　　记者了解到，“青港拖1”轮船舶上层建筑一共有三层，每一层的前壁都是斜面设计，配合左右驾控台滑道椅设计，能最大限度提高驾驶员视野，保证驾驶员在作业过程中进行安全观测的舒适度。该船大桅采用变径支撑设计，既简洁美观，又保证强度；船首甲板机械做到双缆车双锚机独立操作，既互不影响使用，又互为备用。一层生活区内则按照船检规范最新要求，每名船员均设置单独房间，配备必要起居设施，为船员提供舒适的休息环境；生活区内还设置了直通集控室通道。

　　此外，绿色低碳是“青港拖1”轮最显著的特征，在纯电力模式下，该船可实现零油耗、零排放。“与传统的燃油拖轮相比，‘青港拖1’轮每年可节约近227吨柴油，节省燃油费用120余万元，减少二氧化碳排放700余吨。”李瑞峰介绍说。

　　自一体化改革发展以来，山东港口坚持自主创新，将智慧绿色港口建设作为驱动港口转型发展的首要手段，“青港拖1”轮即是山东港口以科技实力强化智慧港口建设、完善绿色技术创新体系的重要成果。

　　“‘青港拖1’轮的启用，为航运业创新发展提供了可复制、可推广、可借鉴的经验，打造了拖轮智慧绿色发展新样板。目前，我们正在规划投用更多的油电混合智能拖轮，并将在新能源化、遥控化、无人化船舶方向继续开展研究攻关，进一步推进绿色低碳港口建设。”张雷告诉记者。（实习记者 宋迎迎）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）