忆芶清泉老师的科研观

时间:2017-03-30    点击:

梅良模                  吴希俊

(山东大学物理系)       (浙江大学材料学院)


  我们分别于1955年和1957年考入东北人民大学(后改名为吉林大学)物理系学习,后来又分别于1960年和1962年与曾琴,黄和鸾,邹广田和杨克大成为芶清泉老师固体物理研究方向的研究生。虽然毕业后,我们两人的科学研究方向偏离了原子分子物理和高压物理,但是在本科和研究生阶段与芶老师近距离的学习和研讨中,以及毕业后对物理前沿问题的交流中,对芶老师后期的科学研究思路和成果有进一步的较深入的了解和体会,在纪念芶老师诞辰一百周年之际,表达我们对芶老师的崇敬和感恩之情。

  为了加强国家科学技术的发展,中央于1956年1月提出了《向科学进军》的号召,并于当年6月开始制订(1956–1967)年科学技术发展远景规划。芶老师参加了物理部分的起草小组。12年科技规划确定:原子核与粒子物理、无线电物理与电子学、半导体物理为今后十二年物理学发展的重点;金属物理、光学、晶体学与磁学,国家需求也大,基础较好,应作相应的发展;另外还提到了高压物理。此后,根据国家的实际需要,吉林大学金属物理教研室以耐高温合金为重点,研制出铁钨硅系列新的高温合金。这期间,芶老师则应用扭摆内耗谱技术进行高温合金的高温蠕变与高温疲劳行为和机制的研究。

  于1960年起,芶老师基于过渡金属和稀土金属在国家规划的金属合金与磁性方面的重要作用和地位,以及他从事原子分子物理研究的经验,指导我们从原子轨道波函数到金属结构波函数的演变着眼,研究这两类金属的特殊物理性质。经过数年的努力,计算证明:sd轨道杂化所形成的双交换作用使得体心立方铁呈现铁磁性。其后,按照轨道杂化的思路,芶老师指导四名研究生采用紧束缚法计算了整个铁族过渡金属(体心立方Ti, V, Cr. Mn. Fe和面心立方Fe, Co, Ni, Cu)的3d能带,解释了过渡金属高结合能与3d能带的关系。

  芶老师于1958年组建中国科学院吉林分院金属物理所,兼任所长,该所于1962年更名为东北物理所,仍兼所长至1966年。此时与钱学森院士的交往增加,芶老师对钱先生的《物理力学》一书特别感兴趣。在钱先生的支持下,芶老师意图从原子分子着手来加深《物理力学》的基础,首先在东北物理所推动原子分子物理的研究。1978参加国家中长期科技发展规划制订期间,芶老师根据基础科学发展和国防事业的需要,大力倡导加强原子分子物理学科,并被列入规划,《极端条件下的原子分子能谱基础研究》得到国家立项。在教育部和吉林大学的支持下,芶老师于1979年成立了全国首个《原子分子物理研究所》,并开始高压合成人工金刚石及其光谱学的研究。

  芶老师开展人工合成金刚石的研究是为了适应国家工业发展所急需的超硬材料。但是,他想得更深的是设法开展《高压合成金属氢》的研究,为国家的航天事业发展提供发动机的高效固态燃料。从80年代中期直至他90岁高龄,每次与我们谈话,都是围绕《金属氢的合成》来展开的。我们到现在都还清楚记得下面的谈话内容:

  随着压力的增加,先会形成氢分子之间由范得瓦尔键组成的固态,这不是个稳定态,随着压力的解除会回到氢分子的非键合态。这种固态利用极低温也可能制成。继续增加压力,部分氢分子键会被打开,形成分子键合与原子键合的混合固态,这个固态也是因为其中的范得瓦尔键太弱而不稳定。再继续增加压力,得到全部氢分子被打开而形成干净的原子键合时,就得到强键合的固态氢。由于氢原子只有一个S电子,这时的键合是金属键合,而且会呈现出高的空间结构对称性。金属氢随着压力的释放,仍然会是稳定的,但是个亚稳相。当然,高压合成时的温度也是影响合成成败的重要物理因素。

  开始时芶老师运用金刚石对顶钻研制金属氢,由于压力不够大而失败。然后,与九院的经福谦院士合作建立起(轻)氢气炮的动态高压装置,继续金属氢的研究。经过十多年的努力,虽然屡试屡败,但是芶老师对金属氢的研究矢志不渝。

  今年1月26日的Science报道:哈佛大学的科学家经过光谱测量,证实成功合成《金属氢》,(DOI:10.1126/science.aal1579)。在人类探索近一百年才取得这个重大研究成果的时候,我们对芶老师在科研条件并不好的情况下孜孜不倦地从理论到实验探索金属氢的合成表示崇高的的敬意。

  芶老师一辈子从事原子分子物理研究,常常从原子分子物理角度提出对新材料的物性和新物理现象的理解和解释,使人耳目一新,得到启迪。《芶清泉论文选集》和《芶清泉论文选集(续集)》记录了芶老师对原子分子物理,以及对物理力学,金刚石高压合成机理,金属氢的形成过程, 原子团簇的形成机理和冷核聚变等新领域和新方向的丰硕研究成果,提出的新观点和新模型,为后人和年青人的研究工作提供了宝贵的科学遗产。

  纵观芶老师的科学研究生涯,他始终把自己的科学研究的兴趣与国家科技事业的需求紧密结合在一起,从不考虑个人的名利得失。这是我们怀念芶老师时必须铭记在心的。

 

2017年2月17日

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