张仿治：走老校长的路
走老校长的路
——记北大博士生导师徐海潭教授
张仿治
在竺可桢老校长塑像前留影
2019年4月9日，已是晚上10点多了，宁波北仑中学2003届（4）班的同学微信群里，一位张姓同学上传了一个英文的文件截屏，内容大意是，耶鲁大学前博士后徐海潭又发表了一个重要的研究成果。群里的同学们都纷纷祝贺。作为徐海潭的高中语文老师，笔者对此自然也十分欢欣鼓舞。对于这一消息，包括Science Daily（每日科学）、phys.org（世界科技研究新闻资讯网）、EurekAlert!（美国科学促进会科学新闻网）等在内的网络新闻媒体也纷纷对此作了报道。而打开北京大学新闻网，则看到4月6日的“教学科研”栏中《物理学院徐海潭研究员在Nature上发表光力学中的研究成果》一文，对这一成果作了详细介绍：“近日，北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室徐海潭研究员和耶鲁大学Jack Harris教授研究组、芝加哥大学Aashish Clerk教授合作，在光力学研究中取得重要进展。成果以‘Nonreciprocal control and cooling of phonon modes in an optomechanical system’为题发表在《自然》（Nature）上。该工作提出了基于光力相互作用的非互易声子耦合新原理，实现了非互易的声子传递和新型光力制冷方法……”
徐海潭，北京大学“百人计划”特聘研究员、博士生导师。他2003年从宁波市北仑中学毕业后，进入浙江大学物理系学习并先后获得学士和硕士学位，2009年赴美国马里兰大学攻读物理学博士学位。学习期间他成绩优异，分别获得中国国家优秀留学生奖学金、浙江大学一等研究生奖学金、浙江大学优秀学生奖学金、浙江省优秀毕业生等多个荣誉奖项。从2015起他先后在美国耶鲁大学和哈佛大学从事博士后研究工作，2018年10月，辞去哈佛大学职位，回国任教，在北京大学物理学院现代光学研究所组建科研团队，致力于研究光力学系统中的量子和拓扑物理，培养优秀的研究生和博士后，推动我国在光力学领域的发展。
国家优秀自费留学生奖学金颁奖仪式
一
优秀的学业和科研成就，离不开从小养成的良好习惯。早在中学阶段，徐海潭好学和质疑的特点就让任课教师留下深刻印象。笔者深深记得，当年的语文课上，向来较为沉默的徐海潭，每当有疑问时却会刨根究底不肯止歇，有时甚至让教师难以招架。他的物理教师、班主任陈武君老师更有许多忘不了的记忆。她说，那几年，对物理特别感兴趣的徐海潭是物理教研组办公室的常客。而且，他如果有问题，不一定只找自己的任课老师请教，而是抓住谁就是谁。尤其是当时的教研组长戴老师，成为他经常请教的对象。平时非常腼腆的海潭在探讨问题的时候，经常有自己的观点，会跟老师争得面红耳赤，跟平时判若两人。陈老师印象最深的是，海潭在《测自来水的电阻率》研究性学习中，发现实验时电表指针并没有一下子就指在某一值，而是先变大再慢慢减小最后稳定下来。他觉得用当时课堂中的知识很难解释这一现象，为此先自己查阅了很多资料，也找陈老师和组内其他老师探讨过多次，在仍得不到让他满意的解释的情况下，还是不肯放弃，陈老师只能带着他一起去环保局等单位咨询……
当然，上了大学，徐海潭“钻牛角尖”的习惯仍然不会改掉。他说，在浙大，在他自己的记忆中，充满了与老师们探讨物理问题的片断，在教室、食堂、甚至是龙井山顶的茶馆里。进大学前，雄心勃勃的他曾想要搞懂所有物理问题，进了大学才深深体会到“懂的越多，不懂的也越多”的道理。他体会说，这其实也是科研的意义，把未知变为已知，从而发现更多未知；当教授们也回答不了你的问题的时候，你差不多已经触及科学的最前沿了。
在浙江大学学习，他拿过许多奖，但也曾经因为痴迷于学习而挨过批。那是大二刚开学时，那天晚上他如往常一样在教室自习，自习完回寝室的路上还惋惜地想着，明天起开始军训，要“荒废”一阵子学业了。可是到了寝室楼下，却发现这里早已集结着“大部队”，而且正要解散。原来军训已经开始了。于是他就在众目睽睽之下被教官训完再被指导员训。指导员训完后估计也有点于心不忍，缓和了语气问他这么用功是不是以后想考研，或许指导员也明白学习在他心中的位置了。
大四的时候，徐海潭以平均绩点第一的成绩保送本校在万歆教授组里读硕士，开始了从学习到科研的转变。他说，以前学习的内容都是前人分析透彻整理成书了，消化起来相对容易，而科研所接触的则是最前沿的知识，读的基本上是最新发表的学术论文，短短几页纸，也许会消耗他之前读一本书的时间。科研最重要的是提出与解决有意义的新问题。硕士期间徐海潭选的课题是拓扑量子计算，把数学中的拓扑、物理中的量子和工程中的计算结合起来。他说，幸亏之前的学习在这几个领域都打下了坚实的基础，从而能在这个刚刚兴起的领域如鱼得水。他后来回想，自己也算是国内最早做拓扑量子计算研究的了吧，两年多的理论研究，他发表了三篇专业论文，差不多够一般博士毕业了。在一次国际会议上有一个该领域的专家知道了他们的工作，开玩笑地说了一句 “we should have been shot”，意思是“我们没有先做出你们文章里的东西，简直不想活了”。
在浙大读书时
二
硕士毕业后，他在马里兰大学读博。那几年的学习，虽然徐海潭一直保持着GPA（平均基点）满分的成绩，但对他来说，想得更多的是做出优秀的科研成果。他的大部分时间，从一开始就用来做科研了。
第一学期上原子分子光物理课的时候，徐海潭就遇到了他后来的导师Jacob Taylor。那时他刚从MIT做完博士后来到马里兰大学任教，同时也是美国国家标准技术局的物理学家。导师问了徐海潭以前的科研经历，听说他做拓扑量子计算，就问他能不能构造出一个叫做Toffoli门的三量子比特门。做量子计算的都知道这个量子门对于量子计算至关重要，但是在拓扑量子计算领域，由于完全不同的物理机制而需要全新的设计，之前还从来没有人在普适拓扑量子计算理论中构造出来过Toffoli量子门。那些天，徐海潭虽是日思夜想，仍百思不得其解。但某一次在坐校车的时候，他看见一对双胞胎，突然想到用合成粒子对的方式来设计这个三量子比特门，于是问题迎刃而解，同时还解决了几个其他的难题，为拓扑量子计算理论添加了一块基石。也许这是对徐海潭的第一次考验，那之后他就成为Jacob第一个学生。马里兰大学给他的全额奖学金本来是需要他做两年助教的，但是第一学期快结束的时候，导师就让他不要做助教了。导师用研究中心的经费给他发奖学金，而他也从助教变成了助研。
徐海潭的办公室是在一个实验室里面，室友基本上都是做实验的。各种先进的仪器设备看得他手心发痒。物理毕竟是个实验学科，就算理论物理，脱离了实验，也就相当于数学或者哲学了。于是，做纯理论物理的徐海潭渐渐萌生了转做实验的想法。
第一个实验项目，他做的是芯片上的光学微腔传感器。物理机制并不复杂，主要是纳米尺度下的光子干涉。其实他当年在上高中的时候，就尝试过用类似的物理机制来做实验，但高中实验室里能找到的仪器和器件是远远达不到实验要求的，实验虽然没有做成，但是想想这个领域的研究在国际上差不多是同时兴起的，他感觉还是挺兴奋。在这个实验项目上，他最后发表了论文，发明了一个专利，为以后的研究打下了基础。
之后徐海潭从纯光学研究转到了光力学研究，遇到了博士期间另一位导师John Lawall。John Lawall做研究几十年了，从来都是只招博士后，而徐海潭很巧合的成为他的第一个学生。
光力学是光学和力学相结合的前沿科研领域。光力相互作用可以用于光学和力学模式的精密调控和测量，有着重要的物理意义和实际应用。最近获得诺贝尔奖的引力波探测装置和光镊技术等都是属于光力学领域的。徐海潭在接下来的研究中，制备了纳米薄膜器件，研究新型光力学器件的物理性质，首次实现了光力学弯曲相变，精密控制薄膜移动相当于一个原子尺度的距离等等。
博士期间的成果使他顺利地得到了耶鲁大学博士后的职位，同时还获得了国家优秀自费留学生奖。徐海潭说，这里的“自费”，其实只是表明不是“公费”。他是通过自己努力拿到了国外大学的奖学金——家里可拿不出那么多钱供他出国。
在实验室里
三
美国的生活条件很吸引人，很多朋友建议他毕业后去工业界。他说，如果单纯追求个人享受，留在美国、进入工业界无疑是很好的选择：相对轻松的工作，优厚的报酬，舒适的生活。而且那时候他的科研成果还不足以在学术界立足，如果接下来几年没有特别重大的成果，学术道路可能随时终止，也就意味着将失去好几年工业界的工作经历，反而对自己不利，风险很大。他说，无奈是天生钻牛角尖的脾气，非得做学术。
博士毕业后，他来到耶鲁大学从事博士后研究工作。每一次新的开始都是机遇，更是挑战。恰好这个时期光力学研究似乎遇到了瓶颈，能做的都做得差不多了，开创性的研究越来越难。他想起多年来做的拓扑方面的研究，决定干脆冒险试试拓扑光力学吧。开创性的研究需要全新的思路来做新的试验而没有现成的可以借鉴的结果。那时候他经常做实验到半夜回家，路上四顾无人，而学校周围经常发生抢劫甚至枪击案件。他有时甚至36小时连续工作不睡觉。有一天，身体很不舒服了，但他浑然不知，继续自己的工作，直到回到住处放松下来，觉得头重脚轻，量了体温，才知道发烧了。有时候他还忘记吃饭，等到要离开实验室回去睡觉的时候，才发现饭还在冰箱里没有动。所以，他说他绝对相信牛顿忘食的故事是真的。
十年的研究，从拓扑开始，又回到拓扑，似乎是画了一个圆。徐海潭通过环绕光力学系统能谱奇异点的拓扑操作首次实现了拓扑能量传递，这个工作发表在了Nature期刊上。得知论文被接收的那天，他激动得一夜未眠。Nature是最顶级的两个综合学术期刊之一（另一个差不多的顶级期刊是Science），刊发的论文是所有领域中被认为最重要的科研成果。全世界从事物理研究的人数大概数百万，而每年在Nature上发表的物理论文只有一百篇左右，可见难度之大！他还被邀请参加了一个重要的国际学术会议，介绍关于拓扑能量传递的工作。当时会议上做报告的基本上都是有名的教授，他印象中受邀做报告的博士后只有两位，所以他心里挺激动。不过他说，学术道路就是99%的沙漠加上1%的绿洲，而这1%所带来的兴奋也很快就过去了，没有休假，他很快就投入到了下一个实验中。
很多人问过徐海潭，为什么选择物理专业？他说，选择一个专业可以有各种理由，兴趣、意义、能力或者就业前景等。在国内，无论哪一个答案都可以理解，但是在美国，似乎只有兴趣才是标准答案，他拿这问题问美国人，得到的答案都是出奇的一致。而当他们听到他选择物理专业主要不是因为兴趣时就觉得很惊讶，瞪大眼睛看着他。徐海潭说：“兴趣也许是个必要因素，但对我而言并不是主要因素，我就是觉得物理最重要才选择了物理。我认为物理研究的是这个世界最本质的问题，是其他科技领域的基础，对人类未来的生存和发展影响最大，意义最深远。”
离开耶鲁后，他又去哈佛大学做博士后，从事生物物理方面的研究。同样不是因为兴趣，而是为了能够将来有机会解决一些生物医学方面的难题，治病救人。
作者与主人公徐海潭
四
多年来，徐海潭从事光力学、拓扑物理和量子计算等方面的研究，在多个领域积累了丰富的科研经验，并做出了突出的科研成果。多项成果发表在Nature、Nature Communications和 Physical Review Letters等顶级学术期刊上，并获得了一项美国专利。代表性成果包括在光力学系统中首次观测到了具有非平凡拓扑结构的能谱奇异点并且开创性地实现了拓扑能量传递；首次实现了非互易的光力学声子传递；首次实现了光力学弯曲相变；发明了一个基于芯片的光学感应器件实现高灵敏度温度测量的技术；结合量子和拓扑物理提出了多种设计和算法来构造拓扑量子门，并且提出了一个统一的拓扑量子比特和量子门的构造框架，用于拓扑量子计算，特别是构造出了首个普适受控三量子比特拓扑量子门……
面对自己丰硕的科研成果，年轻的徐海潭想起当年浙大毕业时，在竺可桢老校长的雕像旁拍照留念。那时他心潮澎湃，竺校长当年留学美国，在哈佛毕业后不久便回国任教，历经各种困难艰险，为祖国的科研教育事业奉献了一生；自己一个多月后就要赴美留学了，但是站在竺校长雕像边的他早已决定了学成后回国做一位老师。
事实上，在去哈佛之前，徐海潭就已经开始为回国做准备了。为什么回国？他说：“科学无国界，我做的又是公开的研究，所以对我个人而言，在哪里做科研都可以。但是在国内做科研有助于提升我们国家的科研水平和影响力，同时培养国内的科研人才。近年来很多优秀的科学家选择了回国工作。前人栽树，后人乘凉，随着国内教育和科研水平的提升，要让更多的学生不需要背井离乡出国留学也能够得到世界一流的科研训练。”他访问了许多国内大学和科研单位，各个单位都给出了很好的科研条件，他深深感受到了国内学者的盛情。综合考虑后，他选择了北大，也得到了北大的大力支持。
去年（2018年）10月，徐海潭辞去了哈佛的博士后职位，回国投身科研教育事业，成为北大的教授。他深情地说，这也算是向竺可桢老校长致敬吧。
回国后，他立即着手实验室建设，购买实验仪器，招收博士生和硕士生，尽快开展科学研究。如本文开头所说，他的关于非互易声子传递和新型光力冷却技术的工作，最近刚发表在Nature期刊上，大家都为他庆贺。但徐海潭很冷静，脚踏实地。他说，每一天，都是新的机遇，也是新的挑战。
作者简介：张仿治，1949年出生，浙江省作协会员，中学高级教师，宁波市首批学科骨干。已退休。因所学是中文专业，退休后寻思，闲着也是闲着，不如动笔写点东西以自娱。于是近几年陆续在报刊发些小说、散文，并出版有散文集《一个榫头一个眼》、《米饭为什么这样香》、《悠然见菜蕻》。
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