为原子和光编舞

美国南方的学术重镇杜克大学坐落在北卡罗来纳州小城Durham.紧临郁郁苍苍的杜克森林。和许许多多留学生一样，我和妻子黄晓芳在这里度过了我们平静而充实的留学时光。每个清晨我们赶去实验室分别与原子和细胞打交道，晚上回到我们的小屋，浏览中文互联网是我们每天必不可少的爱好。不知不觉中，绿了芭蕉，红了樱桃，这已经是我们来到杜克大学的第六个春天。

过去的這个冬天，我一直伏案于书桌旁，专心于完成我的物理学哲学博士论文。在终于为论文画上句号的这个初春，一夜的南风吹白了书房外如雪的梨花，正当我欣喜于小城春天的又一次莺飞草长之时，我收到了中国驻美使馆教育处张静安老师的电子邮件，通知我获得了2007年度“国家优秀自费留学生奖学金”，并热情地邀请我们谈一谈感想。

谈一谈什么好呢?多年来都是用英文写实话实说的科技论文，很少文以明志，笔下抒情，我不免踌躇起来。思想之余，我首先要感谢使馆教育处的老师们和国内的专家、评委们的辛勤工作，把这份荣誉授予我，让我深深地感受到来自祖国的一份关怀。这份关怀让我们留学海外的学子感到十分温暖，同时也更深切地了解到祖国对我们的关注。我想借着这个机会，谈一谈10多年来我在物理学的学习和科研中的一些经历，也许更能够表达我对这种关怀的谢意。

一

我中学和大学时代是在广州度过的。在执信中学读书时，我对物理产生了浓厚的兴趣。由于父亲在中山大学物理系任教的关系，我有机会认识许多中山大学物理系的老师。还记得当我要参加全国中学生物理竞赛时，物理学教学的专家罗蔚英老师专门找来习题集和大学课本送给我，告诉我学习大学普通物理对物理竞赛有很大的帮助。之后，我在全国物理和数学竞赛中都获了奖，得到了免试保送的资格。当时，许多保送生都选择热门专业，愿意学习基础学科的人很少。当得知我打算选择物理专业时，时任广东省物理协会理事长的莫党老师非常高兴，专门为我给几所国内最好的物理系写了推荐信。回想起来，当时的我只是一个什么也不懂的中学生，物理学前辈们对年轻人的热情是促使我研究物理、热爱物理的一个重要原因。

1995年，我进入中山大学物理系理科人才培养基地班学习。基地班的学生一入学就可以选择本科导师，进行科研工作。选择什么样的科研方向呢，像许多热爱物理学的中国年轻人一样，我一开始属意于理论物理，因为杨振宁、李政道的影响，可我很快发现我更着迷于实验物理学。

中山大学有一个早年由我国著名的光谱物理学家高兆兰教授成立的超快速激光光谱学实验室，每当我进入实验室，在黑暗中看到那些红红绿绿的激光光束和跳跃在示波器上的脉冲信号时，我就感到莫名的兴奋和紧张。那时一台飞秒量级超快激光还是一台非常稀罕的仪器，中大的老师们曾经自己研制过一台。当我看到许多人在黑屋子里忙活大半天，为在示波器上终于获得一个脉冲波形而得意万分时，我被深深地吸引了。我找到当时的超快激光实验室主任周建英老师，提出请他作为我的本科导师。10多年后我仍然记得他津津乐道地告诉我，下一个世纪物理学的一个主题将会是对量子世界的操控，激光与物质的相互作用是一个重要的前沿，这影响了我后来科学研究的兴趣所在。

1999年，我来到北京大学物理学院现代光学研究所龚旗煌老师的实验室，攻读硕士学位。在龚老师的悉心指导之下，我开始了利用飞秒激光进行光子材料微制备的研究。在这里我接受了光学实验的完整训练，也学会了如何一步步地开展一个全新的课题。这里宽松融洽的气氛，使我有机会接触到现代光学研究所里不同的研究方向，由此扩展了学术视野。2002年，因为我在超快激光微制备课题上的工作，被授予中国光学学会王大珩光学奖的青年学生奖。同年，我收到了美国五六所最顶尖光学与原子光物

二

负笈美国，我的目光投向了冷原子物理学。冷原子物理学是世纪之交物理学一个异常活跃的领域，它利用当今最精密的实验技术把气态的原子冷却到自然界的几乎绝对零度。在这一温度下，原子表现出奇妙的量子力学性质，他们不再是单个的孤立粒子，而是像振动的琴弦一样表现出优美的波动性。冷原子物理学的实验研究不仅可以回答量子物理学中一些悬而未决的最基本科学问题，而且为实现和操控量子世界提供了非凡的技术手段。1997年，两名美国物理学家因为激光冷却原子的实验技术而获得诺贝尔物理学奖。4年之后，另外3名美国物理学家又因为成功地冷却玻色原子到玻色爱因斯坦凝聚态，获得2001年诺贝尔物理学奖。4年之中同一领域两度获得诺贝尔奖，这在科学史上极为罕见。

在自然界中，任何微观的粒子都可以分为玻色子和费米子两大类。在冷却玻色子后，冷却费米子成为冷原子物理的核心问题，也是整个物理学界关注的焦点之一。但是费米原子的冷却非常困难。较冷的费米原子处于简并态，泡利不相容原理使同类原子间的碰撞受到抑制。要进一步冷却费米气体，需要冷却和捕获多重自旋态的费米原子。这需要激光冷却捕获原子技术上的重大革新。在美国杜克大学博士期间，我有幸遇到了我的导师约翰·汤姆斯(John Thomas)教授。约翰上个世纪70年代毕业于麻省理工学院，他是当今美国原子与光物理学界的大师之一，是全光学冷却原子方法的主要开拓者。

我在约翰指导下的研究正是致力用全光学冷却的方法冷却6Li费米原子，并研究强相互作用下费米气体的物理性质。我们利用高功率的超稳定远红外CO2激光，形成光学陷阱，直接把冷原子从磁光阱中捕获并进行蒸发冷却。形象地说，这个工作好比是为原子和光子编舞，让冷原子随着激光起舞，把物理学家们带入充满未知的量子世界。迄今为止，全光学冷却的关键技术只有美欧的少数研究小组掌握。鉴于搭建一个原子冷却系统的复杂性，大多数在这个领域工作的学者有操作系统的经验，而没有从零搭建的经验与能力。约翰作为一名出色的实验物理学家，特别注重培养研究生制造仪器的能力。他常常用风趣的语言说明极为深刻的做科学的道理。他讲到麻省理工学院历史上的成功经验之一，就是一个一流的实验物理学家总是一个优秀的工程师。他又开玩笑说，如果你喜欢整天在实验室里干管道工，而不是急着收集数据的话，你就可以完成任何人都完成不了的实验。

在约翰的指导下，我在博士期间完全从零开始，搭建了新一代的全光学费米原子冷却系统，在技术上进行了多项革新，发展了高真空红外窗口，超稳定光学等多项原创性技术。在自己搭建的系统上，我系统研究了强相互作用下6Li原子的冷却特性，把费米原子冷却到了的超流态凝聚温度之下。经过2年的工作，从一个空房间到建成全新的超冷原子实验室，我的工作受到了约翰的高度评价。这种训练也使我成为在这一领域掌握核心技术和创新

能力的博士研究生。

强相互作用费米气体的实现为从实验上探索强相互作用的多体量子力学和量子场论打开了大门。强相互作用费米子涉及到高温超导体、中子星、夸克胶子等离子体等物理学上的奇异体系。这些体系和强相互作用费米原子气体一样处于量子热力学的普适状态，即所有物理量仅仅是温度的函数，而不依赖微观的相互作用。这一问题的实验和理论研究受到了原子物理、凝聚态物理、核物理和高能物理各个领域的广泛关注。2006年，我通过费米原子在强相互作用区间和弱相互作用区间的等熵绝热变化，提供了第一个不依赖理论模型的强相互作用费米气体的热力学测量，测定了这一体系中能量与熵的基本关系，明确了温标和超流相变的临界温度，从而为证实量子多体系统中普适热力学问题奠定了实验基础。著名的理论物理学家奥卢，布卡克(AurelBulgac)、彼特，庄曼(PeterDrummond)等对于我们的实验给予很高的评价，认为这是冷原子领域的一项重大进展，是检验强关联量子理论的实验坐标。

三

我的另一重要工作是研究强相互作用的费米气体中的量子粘滞力。众所周知，超流体展现了完美的流体性质。但正常流体是否也可以具有完美流动性是一个物理学领域极具争议的问题。近来高能物理学在夸克胶子等离子体上的实验进展和弦理论对强相互作用量子场的计算显示，正常流体也可以逼近粘滞力的量子力学极限。我们利用旋转超冷费米原子的实验，展示了在强相互条件下，正常态和超流态的费米原子都可以有完美的流体性质。一旦测定了量子粘滞力的下限，不仅对了解夸克胶子等离子体有重大意义，还会为弦理论的计算提供第一个实验检验。

超冷费米原子的研究在过去几年是一个激烈競争的领域。竞争主要在包括我们小组在内的美国4个研究组和欧洲的2个研究组中展开。诺贝尔奖获得者沃尔夫冈，克特勒(Wolfoang Ketterle)和美国科学院院士兰迪，惠里特(Randy Hulet)是其中的另外两个小组。我的研究工作得到了这些同行的肯定和赞赏。2007年我被授予弗里茨，伦敦奖学金(Fritz London Fellowship)，该奖是以量子化学和低温物理学的奠基人，著名物理学家和化学家弗里茨，伦敦命名的一项奖励。

为推动美国在量子科学领域保持领先地位，美国国家标准技术研究院和马里兰大学集合了这一领域的国际顶尖科学家，于2007年成立了联合量子研究所(Joint QuantumInstitute)。为了发掘优秀的年轻人加入这一团队，联合量子研究所专门设立了博士后奖(JQ0 Postdoctoral Fellow)。该奖每年在全世界范围内通过竞争，评选出两位获得者，一位侧重于理论方向，一位侧重于实验方向。博士毕业之际，我有幸被选为其中之一。诺贝尔奖获得者威廉，菲利普(William Phillips)高兴地对我说，你是我们研究所第一个实验方向上的博士后奖获得者，我们希望你成功。

四

从1999年本科毕业到2008年博士毕业，在国内和美国我经历了9年的研究生生涯，从超快激光到超冷原子一路走来，是对科学的兴趣指引我不断尝试新的研究领域。与原子和光子的不解之缘让我深深着迷于它们在量子世界中的翩翩起舞。在这一过程中，我的妻子、父母、导师给了我理解、支持、指导和机会，我很幸运地遇到了他们。

一个人的努力是有限的，只有站在巨人的肩上才有可能取得成功。我的妻子、父母、导师就是我生命和学术生涯中的巨人。我想借这个机会表达我对他们深深的感谢和爱。作为一位年轻的物理学者，我还有很长的路要走，还有许多学术上的挑战。我的导师约翰告诉我，你要和最强的人一起play game，你才会变得更强。在海外探索科学领域的前沿，我正执着于play国际性的科学game。我希望有机会能为中国与美国在原子与光物理学界领域的交流起到更大的作用。像每一个年经人一样，我也怀有梦想，期待有一天能够有机会在中国的实验室里play an international science game。

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