10年課題，面臨延畢，科研如何不想“趕時髦”

定格思想飛起的一瞬 分享科研起飛的時光

沈斌（左）2015級直博生，負責物性測量

張勇軍（右）2014級碩博連讀生，負責材料製備

以浙江大學關聯物質研究中心，浙江大學物理系的博士生沈斌和張勇軍為共同第一作者的論文 Strange metal behavior in a pure ferromagnetic Kondo lattice 2020年3月5日發表在Nature雜誌，該研究首次在純淨的重費米子化合物CeRh₆Ge₄中發現鐵磁量子臨界點，並且觀察到奇異金屬行為。

量子相變是目前基礎研究的一個熱點領域，也是一項重要的科學問題。重費米子體系在量子相變研究領域佔據著非常重要的地位。但奇特的是，反鐵磁材料的量子臨界點可以在很多材料中發現，而鐵磁材料量子臨界點卻難覓蹤跡。科學家們普遍認為鐵磁量子臨界點不存在，而且理論和實驗都支持這一種“共識”。我們想做的，就是挑戰這種“共識”。

學長沒突破，難道我們水平更高？

袁輝球老師一直致力於重費米子研究，在重費米子超導與量子相變方面等方面有很深的造詣。他先前在反鐵磁量子相變方面開展過深入研究，有著豐富的經驗。他堅信，鐵磁量子臨界點一定存在，只是需要找到合適的材料體系。

尋找鐵磁量子臨界點這個項目，袁老師在浙大建立實驗室後不久就開始了，近十年來，一直沒有放棄自己的目標，抱著“基礎研究要甘願做冷板凳”的決心，在承受著來自多方壓力的情況下一直在堅持著。我們是這個項目的第三屆學生，在我們接手這個項目時，前面的兩屆學長們已經做過嘗試，雖然取得了一些很好的進展，但沒能突破，袁老師說這是一個有難度但是也很有意義的課題。當時，我們的心情是既充滿期盼，又內心彷徨。學長們都做不好，難道我們水平更高？相比前面兩屆的師兄師姐，我們算得上是“幸運兒”。

在探究CeRh₆Ge₄這個體系之前，我們也嘗試過其他材料體系，如在鐵磁材料體系CeAgSb₂中摻As，但都以失敗告終，這導致我們曾幾度想要放棄這個項目，而去選擇其他比較熱門的課題。每當我們出現這樣的想法，袁老師總是告誡：“原始創新是長時間的磨練，看準了東西，一定要堅持。不要總想著追逐科研領域的‘時髦風’，要能沉下心來做自己感興趣的問題”

煉好一爐樣品不容易

經過初步嘗試，我們很高興得到了CeRh₆Ge₄單晶樣品，但是問題也有很多，這著實給我們潑了一盆涼水。

比如，我們得到的晶體尺寸非常小，樣品質量不高。最初生長的幾爐樣品中，針狀晶體的長度僅200—400微米。對於這麼小的樣品，任何物性測量都是困難的，哪怕是簡單的電阻測量。通過測量，我們還發現在CeRh6Ge4單晶中混雜著鉍雜質，這給我們的實驗造成了很大的困擾。在我們又要打退堂鼓的時候，袁老師又多次召集大家研討樣品製備方案，改進生長條件。雖然原材料Rh十分昂貴（約6000元/克），但是我們還是得到了袁老師的全力支持。在嘗試了近二十爐樣品，摸索了不同的生長條件後，我們終於長出了品質較高的單晶樣品。

但面對壓力下的比熱測量，樣品尺寸再次成為瓶頸問題。壓力下的比熱測量往往需要幾十毫克的樣品，而當時我們能挑出來的針狀樣品才幾毫克。功夫不負有心人，又經過了數月的不懈努力，我們終於取得了一些突破，生長出了毫米量級的高質量單晶樣品，可以滿足不同測量的需求。

“針尖”上的測量

樣品生長是一個痛苦的過程，而壓力下的物性測量更是一個挑戰。量子相變的研究必然會涉及到極低溫測量，而當極低溫和壓力綜合在一起後，測量就會變得十分艱難。測量過程中，壓力由特製的壓力包產生，壓力包的內部空間非常有限，操作需要特別溫柔，需要極大的耐心，稍有不慎，就會前功盡棄。比如，我們處理的樣品尺寸大約是0.5mm*0.1mm*0.1mm，為了測壓力下的電阻，我們需要在這麼小的樣品上先焊上四根金線，然後再連接到壓力包的引線上，手稍有晃動，就可能功敗垂成。這個操作必須在顯微鏡下才能完成，數個小時盯著下來，頭昏眼花。開始接觸這樣的操作過程感覺很難受，也很容易犯錯。在經歷了長時間的艱苦磨練與無數次的失敗後，我終於能得心應手地在顯微鏡下操作。現在，我（沈斌）可以在幾分鐘內完成一個樣品的焊接，在不到一天的時間內完成一個完整壓力包的準備工作，並且實驗成功率也大大提高。

物性測量也可以說是“險象迭生”。我們的實驗主要涉及極端條件下的各種微弱信號檢測。接地、真空、熱漏等各種因素都可能影響我們的測量，稍有不慎，實驗可能得重來，既浪費金錢又耽擱時間。每次測量之前，我們必須不厭其煩地進行一次次完整細緻的問題排查；

在博士學習期間，加班成為常態，基本上是宿舍-實驗室-食堂三點一線的生活模式，幾乎沒有週末。去年寒假，我（沈斌）沒有回家過年，整個寒假都留在實驗做實驗改文章。印象特別深刻的是，在大年初四的晚上PPMS系統出現故障，我發現後連夜聯繫老師排查問題，第二天跟老師們一起更換了壓縮機系統，就這樣，我們在實驗室忙忙碌碌著度過了春節假期。

合作交流至關重要

我們這個項目，牽涉到樣品製備、多種物性測量和理論解釋，需要具有不同專業技能的研究人員開展合作研究。如果沒有一個很好的研究團隊，很難做出如此係統而深入的工作，這樣研究成果也就很難在Nature上發表。

特別幸運的是，我們成長在關聯物質研究中心這樣一個優秀的集體。中心的老師都有自己的研究特長，並且相互支持。例如，在CeRh

此外，我們中心有廣泛的國際合作，這對我們開展高端研究很有幫助。在這裡，我們經常可以同來自世界各地的科學家進行交流和討論。在本項目中，袁老師根據項目的發展需求，跟德國馬普所的Michael Nicklas博士合作測量了壓力下的部分比熱，理論上得到了羅格斯大學Piers Coleman教授的支持，這些合作研究對完善該項研究起到了重要作用。

參加國際學術交流，對我們擴大視野、展示成果和尋找新的合作都很重要。在博士學習期間，我們有幸多次參加國際會議。例如，2017年的國際高壓會議，沈斌同學應邀彙報了該項工作的前期研究進展，獲得了劍橋大學Malte Grosche教授和德國馬普所Michael Nicklas博士的高度評價。2017年和2019年，沈斌同學也因此兩次訪問劍橋大學，開展CeRh

面對誘惑，導師告訴我們一件事——

從接手這個項目，到論文投稿和接收，這是一個充滿未知和挑戰的過程。在實驗早期，我們經歷了無數的失敗與挫折，加劇了我們內心的緊張，讓我們感到迷惘和沮喪，特別是看著某些領域隔三岔五地發文章，我們的內心就更掙扎了。不過，慶幸的是，我們挺過來了，而且笑到了最後。

相比很多其他領域，重費米子研究的門檻比較高，研究條件苛刻，對物理的理解也更復雜，這不可避免地會導致研究週期長，也給我們學業帶來壓力。為了畢業，有的同學會放棄研究的系統性，傾向於發表階段性的研究成果。但這對於一項重要的研究成果來說，是很致命的。袁老師說，他先前就碰到過類似問題，深受其害。多年前，他在一篇會議文章上發表了一項工作的初步相圖，結果後來投Nature時，編輯就以主要結果已發表為由，直接將論文拒了。在探究CeRh₆Ge

雖然袁老師一直說這是一件很好的工作，但對能否順利在Nature發表，誰心裡都沒底。在等待審稿意見的過程中，我們內心充滿著迷茫和對未知的不安。常常在想，如果Nature不能接收，我們又要轉投其他雜誌，那我們還能否在2020年順利畢業又成了一個問題，又要面臨二次延畢…… 帶著這樣的迷惘，我們在焦急中等待了數月，終於等來了三位審稿人一致的積極評價，他們都表示這是一項非常重要的工作。最後，我們的論文於2019年12月被Nature正式接收。而此時的我們，終於體會到了“守得雲開見月明”！後來袁老師問我們，延畢是否值得？現在看來，我們還是做了一個正確的決定。

回想這段研究歷程，如果沒有袁老師將近十年的執著和堅持，如果我們中途更換課題，如果我們將階段性成果分期發表，我們都不會有現在這樣的成就感。有時前方的道路真的很難去選擇，但在我們迷惘，找不到人生目標的時候，我們要記起我們的前輩，我們的老師都經歷過這些階段，他們曾經滄海。所以我們要積極主動地和他們去交流，聽聽過來人的意見，汲取靈感。我們實驗室每週都會定期組織學生和老師一起去食堂就餐，以此加深老師對學生的瞭解，也給學生提供了一個解疑答惑的機會，無論是科研上的，還是關於人生的。我們自己也要善於去尋找解決問題的途徑，要多讀文獻，多思考，多交流。

一路走來，我們十分感謝袁老師一直以來對我們的鼓勵，袁老師不光是我們的科研導師，也是我們的人生導師，還要感謝中心的其他老師、夥伴的支持和幫助。

我們實現了我們的夢想，打破了最初的“共識”。之後，這隻“黑天鵝”絕不是結束，而是新的開始。希望我們的研究成果能為研究鐵磁量子相變、揭示長期困惑人們的奇異金屬行為開闢新的方向。

---納米纖維素找北方世紀---

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