思睿讲坛第174期:王晓临
作者:物电青传   来源:    点击数:次   发布时间:2016/12/17
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尊敬的顾校长还有尊敬的各位老师还有同学们,大家早上好。我这次来特别激动,第一个原因是因为久闻顾校长大名,在国际压电界以及固体物理界非常有名。另外冯教授也是我长期的好朋友。当然也还有其他的老师。特别感谢顾教授高瞻远瞩,很早就作出了国际合作的意见。非常感谢顾校长安排很多老师和同学到我们这合作,也给我们所带来很多成就,非常感谢。代表我们所里所有的同事感谢顾校长,也感谢王院长前几年到我们这里访问,给我们送来了很多优秀人才,给我们所里的资源做出了贡献。另外我们所里的郭老师也经常到这里来交流,做了很多共同发展。希望我们大合作能更正视加强一下,不仅是材料和化学的合作,还有固体物理的合作。

非常高兴看到一些学生,本科生硕士生,今天的讲座我花了很多时间来准备,所以里边有很多东西是你们喜欢的,里面放了很多科幻的片子,文件大小大概1个G,所以第一方面是想介绍一下我们所里的情况,我的研究方向,第二方面是对于本科生和硕士生如何使思维更开放一点。
我讲的是“大设计”,很多人以为我的这个题目很大,以为这个题目很大可能有两个原因,王教授到底是讲什么大设计,比较新奇,第二个是想“瞎忽悠什么东西,谁敢讲大设计”。然后我今天就讲一下什么叫大设计,讲大设计之前我想介绍一下我们所里做的一些项目,这个我讲一讲。因为我是负责研究和研究生的副所长,第一开始就介绍一下我们所里的情况,大家可能认识了。第二方面是我们做了很多的方向,我个人的兴趣非常广,因为搞大设计要设计新的东西,所以必须知道已知的东西,所以我们做了很多的方向,超导体,拓扑绝缘体,这些热门的我都做,还有一些热电,另外也做一些化学的,还有一些磁性材料,介绍一下这些工作。接下来我就要介绍大设计,对于大设计,不光是数学概念,另外是确实要设计出东西来。我们大学叫university of Wollongong. Wollongong听起来呢就是卧龙岗,跟四川的那个卧龙是一样的。很多人问我是什么意思,我们中文翻译就是卧龙岗,报告最后我会给大家讲解一下“卧龙岗”到底是什么意思。我在里面想介绍一下大设计里面我设计的一个材料,最近比较火,可能大家听说过量子场,霍尔效应,我就介绍一下。另外大设计的最终目标是这个情况。大家都知道没过最近有一个“材料基因”吵得特别火。但是“材料基因”有一个问题,实际上就是搞大数据。但他不能算什么数据,但我们提出一个问题,要把基因的“译码”找到。所以说我想解决几个问题,第一个就是设计新材料到底有多少材料,第二个呢是它们是什么,第三个就是怎么去找到它。这是三个需要思考的问题,所以我想针对这三个问题我就把答案找出来,我尽量在我的报告中给大家介绍一下。
(PPT上展示地图)这是我们Wollongong在这,很多老师都去过,进行正式的合作见面。你看澳大利亚地图,人口都住在旁边,但是面积很大,但是人口很少,澳大利亚是一个2300万人口的大国,所以现在都叫澳小利亚,所以澳大利亚政府急了,他说我们必须变成大国。所以就提出一个概念,要在未来十年之内,把国家变成一个2500万人口的大国,非常有意思。澳大利亚是个非常舒适的地方,非常优美,适合养老。这是我们的城市地图,在最后我会利用这张地图把“卧龙岗”的城市意义揭示出来。这是我们所里的情况,我们所里主要做研究。我们所很大,在世界上也算很大,我们所有160多号人。学生有80到90人,百分之80的学生都是大陆去的,还有一些当地的学生。我们所搞研究,其实我们所搞研究在世界上还是非常有名的。有几个研究的方向,超导,能源材料,还有拓扑,压电,光学,生物,还有一些。我们拿了很多国家的项目,其实国内有什么青年学者,长江学者我们没有这种说法,我们有很多学者现在都是在做纯研究。在国际上的合作特别多,在国内特别高兴有顾教授,我们常见面常合作,我们希望能把这个合作变得更正式一些。现在大学排名主要看发表文章,非常高兴能和顾校长合作,大家一起把排名推进,合作问题我不讲了。这个电池郭老师可能介绍好几次了。大约有百分之70的人在我们所里都做电池。为什么大家都想做这个方面呢,因为一是这个方面相对容易做,第二个测试比较便宜,第三个相对容易发文章。发文章多了以后肯定能找到个好工作。所以大家都喜欢研究这个方向。但是我去搞材料我就不想做。我个人还是喜欢搞一些所谓的《science》。但是我觉得年轻的要适应中国这个国情,为什么,文章多容易找工作,文章多做什么都无所谓。光学我就不讲了。
现在我讲一讲我们的设备,设备非常多,我们是材料研究所,创造电子材料,所以你能想到的做材料和测量材料的设备我们都有。你们可能想不到的我们也有,这是个制造强磁场的炉子,做高压,做热电。我们有五台做薄膜的仪器。还有做激光的,我们设备多的是。这是做电池的,这是做热电的,这是做光敏材料的。另外我们自己有自己的超净室,做电子器件用的,最近我要介绍一下,世界上最好的SDI扫描镜,主要研究表面二维层状物。这是我们很大的一个研究方向。将来也可以发展一下二维的,研究二维的压电材料,这是一个很好的方法,可以做个单层的。下面我就介绍一下关于自己,我主要是做新材料,新物理,新器件。但是我们新器件做的不是太多,设备呢就是这么一个情况,从理论上设计,然后把它制备出来。大设计是制备新的材料,必须知道已知的材料已知的物理。比如大家做的很多的在凝聚态物理里面的东西,比如超导体,二维石墨烯,介电材料压电材料,所以这是我过去几年一直在做的工作。现代科学发展尤其是近三十年的发展,主要是超导,超导有两个特性,一个是零电阻性,还有一个是抗磁性,所以它会有很多的应用,比如磁悬浮列车等。铁是有磁性的,这个磁性和那个超导是不能共存的,我们在国际上首次发现,一种超导在强磁场下可以正常工作。接下来我在讲一下一种零反射的功能材料,太阳能版上面要盖一层玻璃,为了减少反光,一旦反光了,能量就损失了,我们这用材料用作做表面修饰,修饰完之后表面就不会反光了,能量利用几乎可以发到百分之百。热电材料我们做了很多,热电材料就是一个材料有热端,有冷端,电子从一端跑到另一端就产生电流,用蜡烛点一下就可以产生电流,我们可以做低温的热电材料和加了强磁场的热电材料。热电材料,可以测低温的热电材料,加一个强磁场,把氧化锡参杂实际上这里边是一个做工艺的一个东西。材料物理主要是提一些概念,一个材料的电阻特性,电阻率是固定的,于是我们提出一个想法,把水分子加到材料中去,水分子在材料中动的话,就会改变材料的电阻率,水花左右移动,电导会发生变化,磁生磁,100乘于100,可以测单光子。这里有个很意思的东西,我来之前减了肥,我来之前是78公斤,减完之后是77.9公斤,这是怎么回事呢?就比如你喝汤的时候,吃火锅,一喝油全进去了,我想怎么才能把油“骗”出来,这就是我们做出来的关于这方面的文章有报道,这个油经过我们的过滤,水都下去了,油就出来了,这就怎么喝都没事了。刚才讲了一下我们的工作,接下来介绍一下大设计,大设计讲我们自己的跟现代科学有关的东西讲一些科幻,也讲一些哲学,由你们听众来判断哪一些是哲学,哪一些是科学,哪一些是科幻这个东西是去年5月份Stephen Hawking来到了我们那,来讲那个课,但是他人没去,是通过全息投影把它投到科技院来讲这个东西。霍金有名,是因为他写了一本《时间简史》,这是大设计,他不讲时间的历史,讲地球只剩几千年了,并开始寻找新的地球,发布了这个言论以后,就四处找人合作,一起寻找新的地球,刚发布这个言论以后,美国NASA就宣布“找到了”,因为老美反对他和别人合作,所以老美就说“找到了”,这几个伟大的科学家为什么“牛”呢,其实他提出的问题“牛”,比如牛顿提出苹果为什么往下掉,这个问题就“牛”了,牛顿为什么“牛”呢,因为他姓“牛”。爱因斯坦提出的拓扑相对理论厉害,爱因斯坦提出的空间弯曲,爱因斯坦就“牛”了,还有一个更“牛”的,我们质量是从哪来的,Peter Higgs提出一个场,我们所有的一切都在这个场下,都在他的怀抱之下,这个理论是60年前提出的,前年获得了诺贝尔奖。所以回到这个东西,对于同学们来讲,思维要开放,要提出一些问题,比如宇宙是怎么来的,现在爆炸论是主要理论,大爆炸后就产生了宇宙,所以我们要感谢大爆炸,创造了我们,创造了每一个物体,创造了原子,有了原子才有元素周期表,有了元素周期表才有了我们现在这个社会,我们大学里学的东西,有了不同的形态,固体液体和气体,还有各种晶体结构,七大晶系。作为我们搞物理的,大学里,最根本的东西就是电磁,离不开电磁化我们这个社会,大家坐在这里不动,就叫“绝缘体”,大家突然动起来了,就是“金属材料”。现在你们都是头朝上,不动,是个什么材料?你们课本已经学过了,头朝上,坐着不动,就是“绝缘体”。你们一个朝上一个朝下坐着不动,这就是“反铁磁体”,你们一个朝上一个朝下,都动起来了,这就是“超导体”,老师应该讲过这个东西,你们要是都朝上又都动起来了,这还是“超导体”。
下面我们们来谈谈设计材料,如何设计材料呢,我们希望材料是什么,成为什么,做什么。下面我们来具体谈谈如何设计材料,什么是新材料,新的晶体结构,或者新的化学性质,或者新的性能,来探索如何设计新的材料,我这有很多方法,第一个,创造新的原子,然后拿这个原子和其他的原子去作用。大家看过复仇者联盟那里面有个叫actra,它把超电子创造出来了super electronics 这是一个例子,然后还有一个方法,大家创造新的粒子是吧,就像大家都喜欢创造新的东西,比如说创造一个新的学科,如何创造,比如我们搞建筑的就叫建筑学,不同的尺度可以创造不同的学科,从小的到大的再大点就成宇宙了,也就到头了,再小点呢,也就是粒子再小点呢就是原子核的结构了,我们做材料的,做结构材料的,怎么设计呢,我们按照结构维度,维度是什么,维度是点,一维是纳米线,二维是薄膜,我们按照这个维度来设计,石墨烯就是石墨,结构不同,我的这个思维有点跳跃不知道大家能不能跟上,刚刚我讲的这个维度,我们再讲材料的性能,当然我们已经知道材料的很多性能但要研究出一个新的性能是比较难的,难怎么办呢,就要把它拿对,这就是所谓的多铁性材料,由电磁光组成这个叫多铁材料层。
《变形金刚》大家都看过吧,这个片子实际上就是赚钱,把它从无形的变成有形的,但你们看到的是一片一片的,看到以后,就来问题了,我们搞科学联想,我想变成副校长的形象,必须把自己的单个的原子打开再说,打开以后,键长拉长,拉长以后光就透过去了,就看不到我们了。这个片子实际上是忽悠我们的科技量,这个是错的。然后真正的我们要回到老祖宗孙悟空,孙悟空的变化,孙悟空很厉害是吧,他变的时候一下子就看不到了是吧,看不到就符合刚才的定论了吧!但是发光是怎么回事?为什么发光,一打开就发光,为什么,因为电子一碰,电子一下子就发出的光可见光反射,所以这个片子很科学。这个现象最早是法国一个科学家发现的。我们自己在做的过程中,对我们来说没有科幻,科幻想的出来的都是做出来的。还有一种材料大家肯定知道,隐形材料。这个实验已经做出来了,但是这不能推广,一推广,但对我们的创造力来说,空间是什么样的,我们可以想一下,我们只有把空间变一下,就可以得到新的一种材料。我们回到爱因斯坦,爱因斯坦讲过了,给个矢量,矢量周围变了,周围空间就变了。这跟我们所联系的不一样,所以这个东西呢将来也不需要掌握,你们感兴趣的同学做一下是吧,这是我的概念提到很多了,很多年,我一直在讲这个概念,叫拓扑纳米层,如果把纳米材料做成这个行吗,没有人研究它的所有价值,这个实际上你们做过,这个非常非常有用是吧,大家都知道拓扑是电子材料是吧,好这个再回到我的老本啊,我是搞能带的,这个材料呢再怎么设计呢,按照导电性来讲,我们大家学过是吧,你们专门学过啊,有绝缘体、半导体、金属,还有什么东西呢?没有是吧,那我们现在创造一个是吧,那我们同学想下,根据你们年龄的走向,我们创造一个新的材料是吧,我们有绝缘体是吧还有金属半导体是吧,很简单,市面上有什么好东西呢,应该有一些共同的东西,发现了,很简单是吧,我们想一个材料出来,这里面我要再给你们说一下能带论,你们这学过这个能带吗?学过是吧,那太好了,这个呢就是什么呢?绝缘体是吧,这个呢金属是吧,这个呢就是能带,这个呢我们等会要讲的示波器是吧,但是我问大家一个问题,电磁有两个特性,一个是电荷,还有一个什么东西呢,叫磁悬是吧,磁悬在哪呢找不着啊,这来问题了啊,同学们应该挑战老师,老师不讲磁悬,我们把磁悬加进去就出现了一个新的能带,只有两个方面,一个朝上一个朝下,你把它放进去,我想个办法把它放在一起是吧,诶这就在放在一起了是吧,磁悬朝上朝下重量和能量,这是我自己想的办法,有了它以后我们可以创造一些新的材料是吧,这个是这样的过程是吧,还是这样,就是说,大家知道现在有绝缘体、半导体是吧,还有一些关于一些示波器的能带,现在我们还没有碰到,我们想设计一个材料又是绝缘体又是导体可以吧,能不能说一个,有的同学说很简单,怎么设计呢?这个是绝缘体的能带是吧,这是导体的能带是吧,把它加起来就行了,诶出来了是吧,所谓的拓扑绝缘体呢就是这个是吧,哪个材料可以实现他们呢,拓扑绝缘体,因为大家可能对拓扑绝缘体不太熟悉,我讲一下,这就是拓扑绝缘体在电子里的表现形式,里边有自由电子吧?这是一个在飞,里面有没有啊,第二个有没有啊,没有,这里有没有啊,有了,这样理解大家懂了吗?这个里边只要绝缘,外面有自由电子,那就是拓扑绝缘体。那外边呢?边上是自由电子,中间没有了啊,很简单,。好这个呢就是我们发的一些文章。我们今儿,刚刚讲的有点多,我们稍微休息一下啊,我们讲到这个随着科幻技术从那边空间可以到这边是吧,这个大家看过是吧,星际旅行是吧,没人看过吗?应该看过这个吧(学生:叫星际穿越)星际穿越,啊看到很多东西是吧,看到过去和现在。可以看到过去和现在,但不可能看到将来。我们想象一个空间,你可以随便干,科幻里还是很好用的。回到我设计的这个材料,想法很简单,做物理要有创新思想,而且你必须用一个事实证明你的思想是对的。我设计的这个材料应用了我们都知道的霍尔效应,制造了能带,利用了电子,里面区域化,旁边自由化。回到这个地方就是说涉及了很多,我最后花几分钟时间介绍一下这几个大概点啊,到底还有多少新材料他们是什么?这些思维是怎么走的呢,我们要问一个问题,一切都来自于大爆炸,是这个意思吧,如果大爆炸是对的的话…我的思维是什么思维?我们大爆炸,别让它发生,先别炸是吧,我们想一想,这个原理复杂的很是吧,我们先不让它炸我们先给这个宇宙什么最基本的属性才让他变得这么完美和复杂,可以吧,先别炸,先来看是吧,我想了半天啊,这个幻灯片呢我就先跳过去,这和我说一下,这个中国小说进入世界巅峰了,刘念慈写的一个科幻是吧,刚才那个短片吧就演了宇宙大爆炸,这个可能有人看过了这是现在非常好的一个电影,再讲大爆炸一个最惨的结果,爆炸啪啪啪出来了最终呢,多少些年后都没了,你我都没了,老惨了是吧,所以我们要珍惜每一天在一起的时刻,昨天,今天,和明天,这个宇宙大爆炸先不让它爆炸是吧,每个人都有一个责任找种材料,把爆炸阻止,可是你拿到一个材料知道它性能么?我们按性能来设计,那怎么做能行呢。拓扑绝缘体是一种新的量子物质态,完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”.这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体,而其表面则是无能隙的金属态。这种无能隙的表面金属态也完全不同于一般意义上的由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态,拓扑绝缘体的表面金属态完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定,是由对称性所决定的,与表面的具体结构无关。也正是因为该表面金属态的出现是有对称性所决定的,它的存在非常稳定,基本不受到杂质与无序的影响。性质 其体电子态为绝缘态,但是在其表面却有自旋相关的导电通道,这意味着拓扑绝缘体在自旋电子学有潜在的应用前景。另外,在一个超导体附近的拓扑绝缘体可以产生满足非阿贝尔(非对易)统计的激子——马拉约那费米子。由于非阿贝尔粒子的拓扑性质受对称性保护,不会由于微小扰动而使量子态退相干,从而导致导致计算错误,这使得拓扑绝缘体可以用于量子计算。优点,拓扑绝缘体材料有着独特的优点:首先,这类材料是纯的化学相,非常稳定且容易合成;第二,这类材料表面态中只有一个狄拉克点存在,是最简单的强拓扑绝缘体,这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台;第三,也是非常吸引人的一点,该材料的体能隙是非常大的,特别是Bi2Se3,大约是0.3电子伏(等价3600K),远远超出室温能量尺度,这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。这些重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用,有着巨大的应用潜力。寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料,成为人们目前关注的重要焦点和难点。我总结一下,几个方法:设计新的原子,按照大小来设计材料,按照维度来设计材料,按照不同的物理性能,按照导电性,按照特殊的空间。最后我想说创立这个表需要花很多的时间来理解如何运用,实际上对同学们来说,拿到这个表可以发挥丰富的想象力自己组合创造出更多的新材料。新的性能出来了,我们就可以运用了。这是我们团队的成果。最后我解释一下卧龙岗的意义,我问了当地居民,依山傍海,Wollongong可能是海浪的声音,隆隆隆,我说我不相信,卧龙岗三个字,我找了快20年,有一天我在看报纸的时候突然想到了一首诗,不识庐山真面目,只缘身在此山中。后来我抱着计算机左顾右盼看了又看,围了一圈,惊讶地发现(PPT上的图在翻转),这是龙眼镜、龙须、龙脖子、龙犄角…… 这就是我所认为卧龙岗真正的意义。今天我的演讲就到这里,谢谢大家。
『责任编辑:李小双』
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