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罗恩·福尔曼:与原子对话的人(图)

发稿时间:2015-03-31 13:43:00 来源: 科技日报 中国青年网

以色列本古里安大学纳米尺度系统实验室罗恩·福尔曼教授。 冯志文摄

  今日视点

  “如果用一句话来概括我们的工作,就是与原子对话。”这是以色列本古里安大学纳米尺度系统实验室原子芯片组罗恩·福尔曼教授在接受科技日报记者采访时,对他领导的科研小组所做工作的概述。

  福尔曼教授现在是炙手可热的原子芯片研究领域的国际领军人物,这位喜欢在地中海畅游的篮球高手,从2003年白手起家,在以色列著名学府本古里安大学建立起自己卓越的实验室,带领一个由以色列人、美国人、德国人和中国人等组成的科研团队,在微观粒子世界展开探索。基于其丰富的高能物理研究经历、一流的学术造诣和超前的学术眼光,该实验室声名鹊起,无论基础研究还是原子芯片加工都取得了快速发展。他本人也因在发展原子芯片以及将材料科学应用到原子光学方面先驱性的贡献,于2011年获得了国际激光和量子光学领域的大奖——兰姆奖。

  要读懂福尔曼教授的简历绝非易事,这位曾在欧洲核子研究中心追逐了多年上帝粒子、后来却一头扎入量子世界的科学家,研究领域涉及到基本粒子物理、原子物理、量子相干性、光与物质相互作用、材料科学与原子芯片的设计与制作技术等,看他发表的论文和专著的题目,就如同在梳理现代量子物理学的发展之路。怀着敬仰和好奇的心情,记者日前专访了这位整日与原子打交道的福尔曼教授。

  抓住原子开始对话

  “每天我和我的学生来到实验室,打开仪器设备,走进原子的世界,开始与它们的对话。”福尔曼教授这样描述他们研究组寻常一天的开始。在他实验室工作的来自中国的博士后周蜀渝,在记者面前熟练地启动各种电子设备,锁定激光频率,运行自动控制程序,几分钟后电脑屏幕上的原子云图像截面上出现了迥异于正常分布的突起曲线,“这就是玻色—爱因斯坦凝聚体,这次实现凝聚的原子数应该有几千个。”福尔曼说,“抓住了原子,我们就可以和它对话,向它请教。”

  玻色—爱因斯坦凝聚态是物质的第五态,有很多奇特的性质,如原子动量几乎为零,并表现出类似激光的高度相干性等,这为科学家设计精确度更高的原子钟、制造更精确的重力测试仪、实现量子信息储存等量子信息处理过程及开发量子计算机打开了大门。

  原子芯片让对话更加精彩

  现代物理学家将原子光学元器件集成到一块芯片上,利用这种芯片来完成超冷原子的制备、探测和操纵,称之为原子芯片。它把量子光学、物质波光学的理论和成熟的微制造技术联系在一起,大大简化了实验装置,可以提供更紧的束缚和更小的磁阱尺寸,还可以对“囚禁”的原子团进行复杂且精确的操纵,甚至可以控制原子之间的相互作用,这些特点让人类与原子的对话更加精彩。

  福尔曼是最早的原子芯片理论的研究者和实践者之一。他曾在奥地利因斯布鲁克大学实验组做博士后,该实验组第一次实现了利用芯片上刻蚀的导线产生的磁场对原子的磁束缚和导引。作为实验成果论文的第一作者,福尔曼第一次在实验中演示了原子芯片对原子的灵活操纵,展示了从原子光学到量子信息等领域的应用潜力。

  福尔曼说,他于2003年在本古里安大学从零开始建起原子芯片实验室。2008年,他和德国海德堡大学合作完成了一项更具前瞻性的工作。他们将超冷原子云移到芯片表面附近,通过观察原子云的密度分布,重构出磁场以及导线中的电流分布。这篇发表在《科学》杂志上的文章演示了“物质波显微镜”可能用于研究固体物理的某些问题,是冷原子物理和材料科学交叉的一个里程碑。

  原子芯片敲开量子理论研究大门

  原子干涉仪,又叫物质波干涉仪,是目前原子芯片的一个重要研究方向。福尔曼在这一领域建树颇多。他与人合作或者作为领导,在理论上提出了多模波导型物质波干涉仪和利用时间反演对称性构造非相干物质波源的波导型陀螺仪。在实验方面,他们实现了原子芯片上基于“斯特恩—盖拉赫”效应进行相干分束的物质波干涉。这个实验不但为如何实现大动量差的原子相干分束提供了一种方案,而且其背后隐含的各种物理解读也令人深思。

  迎接原子设备微型化的革命

  福尔曼说自己曾在10岁左右时装配了一台晶体管收音机。“要是现在,这样大的体积能容纳数百万个晶体管,因为20多年前,人们发明了大规模集成电路和芯片。”他说,“在微型化领域已经发生了两次革命,第一次是电子设备微型化革命,第二次是光子设备微型化革命,现在我们要参与第三次革命,这一次的主角是原子和量子粒子。”与纳米技术紧密相连的量子技术革命,将材料科学的进步和量子世界连接起来,给原子设备微型化革命带来了希望。

  谈到自己的实验室为何技高一筹,吸引了来自世界各地著名研究机构的大量合作时,福尔曼说,现在世界上芯片制造技术相当成熟,但绝大多数都是在上世纪末建成并以半导体物理理论为基础,而他的实验室是世界上第一个完全以量子物理理论为指导建立的,“两者有着根本的不同,如果用一句话来解释,就是材料工程与量子物理结合的产物。”

  希望有个全由中国学生组成的团队

  福尔曼可能已拥有了以色列单个科研实验室最大的中国团队,有3个来自中国的博士后目前在他的实验室工作。“我不介意我有一个全部是中国学生的实验室,我要学习中文,我每年都要访问中国。”说到中国和他的中国学生,福尔曼显得很兴奋,“我那时会在实验室插上中国国旗,让我这里变成中以友好的民间大使馆。”

  谈及他最新的科研进展时,福尔曼骄傲地说,最新的科研成果来自他的中国学生周蜀渝,他用了将近3年的时间,验证了在距离芯片表面仅5到6微米处物质波的空间相干性可得到长时间的保持。这项实验在世界上首次证实了近距离物质波的空间相干性仍能得以保持,这为将来实现量子电路提供了参考。它表明在现有技术条件下,实现原子芯片上物质波的量子电路是可能的。“我们最近还有一个令人兴奋的突破,他来自我的另一个中国学生周志凡。”福尔曼开心地说,“但我现在还不能告诉你。”

  福尔曼说,近10年来中国学生质量发生了巨大变化,首先语言障碍消除,很多中国学生英语流利;其次,科技理论技能大大增强,学术功底深厚;最重要的是,中国学生的独立思考意识更加突出,敢于说不。“我常常和我的中国学生争论,每天早上醒来的第一件事是查看他们的邮件,听取他们的不同意见。”

责任编辑:初秋
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