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唐爽:新材料意义有多大?

时间:2022-12-21 19:05:03 公文范文 来源:网友投稿


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2012年4月24日,麻省理工学院主页上挂出一篇文章:由该校攻读物理学博士学位的唐爽与其导师——世界著名科学家崔瑟豪斯(Mildred Dresselhaus) 教授提出的一种物理理论,被命名为“唐爽-崔瑟豪斯”理论。一经发表,短时间内被美国物理世界等新闻媒体以多种语言在美国、英国、加拿大、澳大利亚、芬兰、韩国等国家报道。虽然该项目目前仍处于理论阶段,需要更多地实验来完善,但崔瑟豪斯教授表示: "Anything can happen, we really don"t know.Many mysteries remain before we have a real device."

发现新奇材料

什么是“唐爽-崔瑟豪斯”理论?唐爽说那得先认识一下“狄拉克锥”。“对于一般的经典粒子,其动能——动量关系是抛物线型的,即高中物理中所介绍的动能和动量的二次方成正比。对于光子这样的相对论粒子,动能和动量确是线型的,即动能和动量成正比。如果我们能够找到一种办法,使得电子的动能——动量关系能够和光子一样成线型,那么这一点就叫做“狄拉克点”,在二维体系中的“狄拉克点”,就叫做狄拉克锥。有了‘狄拉克锥’,电子就被赋予了神奇的力量,他们可以挑战崂山道士“穿墙”的本领,以100%的概率透过经典意义下不可能透过的壁垒。”唐爽幽默地说:“如同孙悟空绕树三圈后可以找到通向另一个世界的门一样,狄拉克锥中的电子也可以绕狄拉克锥一圈后,进入另一世界。石墨烯便是因为有了两个对称的各向同性的狄拉克锥才有了各种神奇的特性。”

2010年,石墨烯 “狄拉克锥”的发明者获得了诺贝尔物理奖,而唐爽此次找到了另外一种合金材料铋锑合金薄膜,不仅具有多数石墨烯的特殊性质,还有一些更为复杂和有趣的特殊功能和性质。这种铋锑合金薄膜材料极为可能成为下一代计算机芯片和热电发电机的革命性材料。因为,一旦这种材料制成电脑芯片,其速度将会比现有硅材料的芯片快很多倍。这样一来,“量子计算机”的实现也有了新的可能。一旦量子计算机发明,将成千上万倍地提高计算机运算速度。

“将温差变为电能”的项目是美国能源部的一个重要课题,而“唐爽-崔瑟豪斯”理论为高效热电材料的研发也开启了希望之门。

唐爽介绍说,“唐爽-崔瑟豪斯”理论体系可以提供高电导、低热导和有效的单位载流子熵,从而制造出高效的热电材料。比如已经制备出来的新材料铋锑合金薄膜,就具有极快的电子传播速度和极小的热导率,因此可以产生极大的发电效率。该体系尤其适合于超低温体系,如在太空空间站、卫星等体系中,可以将向阳面和背阳面的温度差迅速高效地转化为电能,从而为空间站、卫星等提供动力。

另一个应用是高效的低温制冷机,神奇的热电材料加上电流就可以打造出高效的制冷机。这种制冷机效率高、价格低廉,且不产生噪音和废料污染。

导师向奥巴马介绍他

从复旦大学本科毕业后,唐爽就来到美国麻省理工学院攻读博士学位,说起被麻省录取,唐爽还有段很搞笑的故事。当时申请到国外读书,唐爽已经做好了被哈佛和耶鲁大学录取的准备,可是最后他却收到了来自麻省理工学院的通知。“这个科研所在复旦物理系只录取过一名学生。”唐爽打开信件,读了三遍都不敢相信自己被录取了,他还找到自己的好朋友确认了两遍,最后才放心。

在麻省,唐爽注册在材料系,师从MIT顶尖科学家电子工程与计算机科学系兼物理学系崔瑟豪斯(Mildred Dresselhaus)教授。对于自己的这位80岁的恩师,唐爽十分敬重,且非常崇拜这位物理界的“活化石”。在唐爽看来导师分很多种类型。“有的导师是包工头型的,就是自己接项目然后想怎么做,让学生去做,学生只用听,不用想。有的导师是政治家型的,科研的东西不怎么管,只负责抛头露面、搞关系和八卦。我的导师Prof. Dresselhaus属于对学生很宽松,但是对科学很热情,不在乎任何名利的类型,这可能是我为什么这么尊重她的原因吧!她曾经跟我说过:我们做科学一定要有原创,所以你可以自由去想去摸索,然后你想做什么,我们就申请什么经费。我和导师讨论是不需要预约的,直接去办公室敲门就行了,这和其他大部分导师是不同的。很多其他导师的学生要见他们也需要很规范的行政程序。我的导师虽然很忙,但是学生想什么时候见,就可以什么时候见,只要她在办公室。”

2010年初,当时有一个合作者在做铋的材料,导师崔瑟豪斯让唐爽看一下,做个模型。唐爽翻阅的时候,发现这位合作者做的只是这个材料的一小部分。他经过仔细地做模型研究,发现铋材料在经过掺杂和低维化、纳米化和量子化之后,可以做出很多有意思,神奇的东西,这可能对当下的科技需求有意义。于是唐爽就开始重新考量铋的研究。“我们首先系统地对各种类型的狄拉克锥进行了定义,并定义了各种参数来描述狄拉克锥的对称性、各向异性、迷你能隙等,然后提出了构造各种单狄拉克锥、双狄拉克锥、三狄拉克锥、半狄拉克锥、类狄拉克锥的方法。我们研究的部分结果已经公开发表,还有很多数据和工作需要完善。”

值得一提的是“唐爽-崔瑟豪斯”理论的核心来自唐爽在一次party上累了休息的时候。“我最初想到这些理论的核心时我家在开party。我在美国的家有两层,那天我家上面的一层在开party,我有点累了就到下面的一层休息,然后突然想到一些东西,就坐起来推导了一些公式,这些公式成为了日后研究的核心内容。”

2012年4月,唐爽作为第一作者,将文章投给了业内著名的《纳米快讯》,文章一经刊发,在业内引起轰动。乌克兰、日本、比利时与德国的科学家都找到唐爽与崔瑟豪斯的工作室,表示希望合作。其导师崔瑟豪斯也曾在白宫向奥巴马介绍过唐爽的成就,称“这个中国人发现的材料,可能开拓电子、基础物理等新的理论。”

爱科学,更爱传统文化

唐爽从小开始学习传统武术,拜师求教武当内家拳,后来也还为此著书,意为保存文化。中学时候的他并未展现出对物理的特别喜好,反而很喜欢国学,尤其爱研究《红楼梦》,对于书中经典信手拈来。高中时,参加国学夏令营,唐爽开始恋上了梵文。进入复旦物理系学习后,他又拜易学大师谢金良为师,悉心钻研《周易》文化。文理兼优的他曾被复旦校长亲自接见,并于2008年出任复旦大学《周易》协会名誉会长,2009年作为当年最年轻的学者参加了复旦大学思想史研究中心“中国文化中的正统问题”年会。2010年在麻省时,唐爽还多了一个新头衔——“复兴论坛”国外执行长,积极弘扬中华文化,汲取世界精华。

“我从小就喜欢中国传统文化,包括一些奇怪的东西,比如风水术数,奇门遁甲等。这些是我的个人爱好,我觉得是我对中华文明的一种崇敬感和归属感的产物。很多文化哪怕已经没有现实意义了,但却是一种文化博物,总需要人去作为文化历史保存下来。不能说没有实用价值了就应该完全毁掉。就像‘皇帝之宝’的玉玺没有了任何政治实用价值,不是照样被视为国宝保存在博物馆里吗?我们可以书写历史,但不能毁掉子孙后代了解历史的权利。这才是科学客观和审慎批判的态度!”唐爽甚至表示如果拿中国传统文化和科学相比的话,他更喜欢中国传统文化。

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