北京
|作者：張?zhí)锾?/p>
(中國科學院理論物理研究所)
本文選自《物理》2025年第3期
回看走過的人生路途，我從一個迷茫困惑的少女，逐漸成長為一名信念堅定的科研工作者。一路上，我得到了師長們的悉心指導和同輩們的無私支持。在此有幸與《物理》的讀者們分享科研之旅的個人體會，我感到非常的開心。希望我的成長故事，能給在物理學領域暫時感到迷茫和猶豫不決的年輕朋友們帶去一些思考和啟發(fā)。
大學時期：從陌生到喜歡
我的物理之路始于高考填報志愿的那一刻。當時，物理并不是我的第一選擇。和很多人一樣，我高考前的生活內容幾乎完全被學習占據(jù)，鮮有機會去探索和發(fā)現(xiàn)自己的興趣所在。因此在填報志愿時，我對自己的“第一志愿”感到迷茫。雖然不清楚自己最喜歡什么，但在排除了不感興趣的諸多選項后，我最終選擇了北京師范大學物理系(現(xiàn)為物理與天文學院)，畢業(yè)后當一名物理教師成為自然而然的理想。與其說這是自己的選擇，不如說是為了滿足父母的期望——他們希望女兒能擁有一份穩(wěn)定、體面且符合社會對女性價值評判的工作。
北師大物理系的課程設置科學合理，老師們的講解深入淺出。大學四年的學習為我之后從事科研工作奠定了堅實的基礎。然而，在最初兩年里，我感受到大學課程與高中課程的巨大差異。學習高等數(shù)學，尤其是掌握微分思想后，我逐漸理解了局部線性近似和連續(xù)變化的概念，這些工具在處理復雜、動態(tài)和連續(xù)的問題時非常有效。盡管如此，我并未從力、熱、光、電等基礎物理課程中獲得太多樂趣，尤其是電動力學讓我感到難以理解。直到大三，量子力學和固體物理這兩門課程的開設，才讓我真正找到了學習物理的樂趣，甚至改變了我的世界觀。
作者2014年大學畢業(yè)時，與量子力學老師郭文安教授的合影
量子力學打開了一個與經典物理學截然不同的世界，徹底顛覆了我的思維方式。在經典物理學中，物體的狀態(tài)和行為是可以精確預測的，而量子力學則表明，微觀粒子的行為是概率性的，只能通過波函數(shù)和概率密度來描述。這種從經典軌道到概率波、從確定性到不確定性的轉變，不僅讓我重新理解了因果律和決定論，也深刻影響了我的世界觀。隨后的固體物理課程，尤其是能帶理論的學習，讓我意識到固體材料的導電性、磁性等性質都與其電子結構密切相關。能帶理論揭示了微觀尺度上的奇妙秩序和復雜性，使我對世界的理解更加深入和細致，也更加關注物質的基本性質和微觀機制。
臨近本科畢業(yè)時，我在父母的期望(找工作)和繼續(xù)求學深造之間猶豫不決。在室友的鼓勵下，我參加了中國科學院物理研究所的夏令營，并意外取得了所在批次的第一名。基于在大學期間對量子力學和固體物理的興趣，我選擇了從事拓撲能帶理論和材料計算方向的方忠研究員作為我的意向導師。與方老師面談后，他表示愿意錄取我，并認可了我的面試成績。那一刻，我激動得流下了眼淚。如今回想起來，即便大學選擇了其他專業(yè)，我可能依然會走上科研的道路，只是研究的領域會有所不同。
研究生時期：從喜歡到熱愛
讀研第一年，京區(qū)研究所的學生都在中國科學院大學雁棲湖校區(qū)集中學習。在那兒，我不僅度過了充實且快樂的一年，也結識了我的人生伴侶。從第二年起，我回到物理所，正式開始了研究生涯。我們課題組的學術氛圍非常濃厚，許多問題都在研究生辦公室里得到了解決，老師們辦公室的門也是經常敞開，歡迎學生們隨時去請教和討論。特別令我難忘的是，同屋的宋志達師兄，總是耐心地為我講解物理知識，幫助我解決各種問題，而懵懂的我卻時常給他幫“倒忙”。這讓我逐漸意識到自己知識的匱乏，以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力亟待提升。
我的第一個課題是尋找拓撲聲子材料并進行相應的計算預言。現(xiàn)在看來，拓撲聲子的材料計算相對簡單，但在我接手該課題時，這一領域的研究幾乎是一片空白。拓撲能帶理論可以推廣到任何由能帶論描述的系統(tǒng)，然而，聲子體系中開邊界表面態(tài)的計算量一直是個棘手問題。經過長時間的思考，我們找到了從第一性原理出發(fā)，快速且準確計算材料開邊界聲子表面態(tài)的方法。隨后迅速展開材料搜索，最終預言了MSi家族 (M為Fe、Co、Mn等過渡金屬元素)中存在兩類雙外爾聲子。
彼時，當理論與計算完成時，似乎整個項目已完成了九成。然而，當我著手撰寫論文之時，才深刻體會到寫作的分量所在。這涵蓋了對研究問題的深刻理解、詳盡闡述研究方法及成果等多個層面。尤為關鍵且出乎我預先設想的是，論文作圖竟成為了不可忽視的一環(huán)。好的作圖不僅能夠使讀者迅速把握文章精髓，還能極大地促進閱讀流暢度與深化理解。歷經約莫三個月的全神貫注撰寫與無數(shù)次的精心雕琢，我的論文終于達到了提交審閱的標準。這項工作是我學術之旅的一個重要里程碑，它不僅是我初次涉足科研工作的實踐體驗，更促使我對其全貌有了更為深刻與全面的理解。
每個科研小白的成長都離不開大家的幫助。非常感謝方忠老師和翁紅明老師在材料計算方面給予的悉心指導，感謝方辰老師在拓撲能帶理論方面的深刻啟發(fā)，也特別感謝陸凌老師在科研作圖和寫作方面的指點。承蒙四位老師的傾力相助，最終我們的研究成果得以被選為PRL封面文章。三個月后，布魯克海文國家實驗室專門設計了實驗，驗證了我們的預言。這次與實驗組的合作讓我結識了最親密的實驗伙伴——苗虎師兄。他雖然是實驗物理學家，但理論功底扎實，寫作能力出色，對作為晚輩的我更是關懷備至。之后，我們在拓撲聲子、拓撲電子、關聯(lián)電子態(tài)等方面展開了多項合作，取得了較為豐碩的成果。
我在讀博期間的第二個項目中是負責建立“拓撲電子材料目錄”， 該項目基于先前與宋志達師兄及方辰老師合作構建的“拓撲詞典”理論之上。盡管理論架構已初具雛形，但高通量計算對我們來說卻是一次全新的探索，其間我們遭遇了諸多挑戰(zhàn)，但最終都一一化解。尤為難忘的是，為了節(jié)約課題組的經費，我充分運用了手頭所有的免費計算資源，將繁重的計算任務分散至多個服務器上。由于數(shù)據(jù)量龐大且分布瑣碎，我邀請了當時正忙于本科畢業(yè)設計的蔣毅師弟加入我們的隊伍，協(xié)助處理這些數(shù)據(jù)。蔣毅以其細致入微的工作態(tài)度、嚴謹認真的精神及不辭辛勞的奉獻精神，為項目的順利推進提供了強有力的支持。
起初，我并沒有認識到這項工作的科學價值，甚至一度將其視為一項繁瑣的材料計算任務。然而，在方辰老師的反復指導與啟發(fā)下，我逐漸領悟到這項工作在拓撲材料研究領域的深遠意義。最終，該項目榮幸的入選了“兩院院士評選2019 年中國十大科技進展新聞”。這次經歷讓我深刻體會到，工作的延續(xù)性至關重要。每一次的點滴積累，都將成為后續(xù)工作的寶貴財富。此外，合作的力量更是不可或缺。特別是在面對復雜分工或龐大工作量時，多方攜手共進，能夠更快地攻克難題，推動項目邁向成功。
研究生期間，我非常幸運的遇到了多位對我人生和科研道路產生深遠影響的導師和同門。他們的幫助讓我越來越勇敢，科研之路也越來越順利。同時，我也在工作中為他人提供幫助，這種互相支持的過程讓我感到無比快樂。在一次次學習新知識、解決問題的過程中，我逐漸找到了成就感，也發(fā)現(xiàn)自己對物理的熱愛愈發(fā)深厚。然而，盡管看似是做科研的“天選之人”，臨近畢業(yè)時，我仍然反復懷疑自己：科研這條路真的適合我嗎？我對科研的熱愛究竟有多少？如果獨立開展研究，我能否做出優(yōu)秀的成果？我想，許多在國內讀書的(女)研究生、博士后可能也會同我一樣，感到自我價值感和力量感的缺失。最終，在老師們以及我愛人的鼓勵、支持下，我于2019年畢業(yè)后選擇去日本深造，繼續(xù)追尋我的科研夢想。
2019年作者博士畢業(yè)論文答辯會留影
博士后時期：從迷茫到清晰
初到日本時，一切都充滿了新鮮感。我的合作導師村上修一(Shuichi Murakami)教授給予了我極大的學術自由，再加上日本豐富的法定節(jié)假日，最初幾個月的生活幾乎被“玩樂”占據(jù)，工作反而成了次要。然而，出乎意料的是，剛出國半年，全球疫情便席卷而來。如今回想起來，那段疫情初期的記憶仿佛蒙上了一層灰色。日本開始實施居家辦公政策，疫情持續(xù)的日子里，我唯一的社交活動便是每周與村上老師進行的一小時學術討論。
2022年7月在德國Wurtzburg參加學術會議期間，作者與村上修一教授(中)、課題組博士生田中悠太郎(左)的合影
這段獨居生活不僅讓我學會了如何與自己相處，也促使我深入思考未來的科研方向。正如方忠老師所教導的，我期望在探討問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中，逐步提升自己的科研品味。經過研究生階段的訓練，我逐漸意識到，第一性原理計算可以成為連接物理理論與實驗的橋梁。作為一名理論物理研究者，我也希望理論能夠走在實驗前面，最好是提出理論—材料預言—實驗驗證，這會讓我成就感倍增。因此，從博士后階段開始，我的研究重心放在了可用單電子近似來描述的凝聚態(tài)方向。例如，在博后初期，我們提出晶體中外爾聲子單條能帶的最大陳數(shù)可以達到4 (twofold quadruple Weyl)，這一類新型拓撲準粒子激發(fā)在之前的研究中被遺漏了，原因在于未考慮布拉菲格子的自由度。這項工作目前已獲得近百次引用。我們預言BaPtGe家族材料中存在這類外爾聲子，隨后也得到了實驗驗證。在博后中后期(那時我已被村上老師升職為特任助理教授)，我們將手性聲子(圓極化聲子)的研究引入到了三維非簡單空間群中(擁有螺旋旋轉操作)，預言的相應手性晶體材料(如#152空間群的Te、HgS)也都得到了實驗的驗證。
村上修一老師是一位充滿熱情、禮貌待人且熱愛生活的學者，在學術領域以嚴謹著稱。他與妻子情深意篤，膝下兒女雙全，完美地將生活與工作融合得恰到好處，為年輕的我勾勒出一幅未來理想的生活藍圖，讓我對平衡工作與生活有了更深刻的體悟。村上老師從不急于求成，對科研工作懷揣著無比的熱情，即便是最細微的問題，他也會深入探究，力求透徹理解。每當我提出新的創(chuàng)意或完成一項研究成果時，他總是給予我極大的肯定與鼓勵，這不僅極大地增強了我的科研自信，更讓我未來的學術道路清晰明了。
2024年，作者回國工作后首次回訪日本，并與拓撲領域泰斗Kohomoto教授合影
在日本期間恰好遇到COVID-19，我曾猶豫是否回國，但往返近兩個月的隔離讓我望而卻步，最終選擇咬牙堅持下來。三年半的異國獨居生活徹底改變了我。獨處讓我有了更多的時間思考，仿佛一雙泥塑師的手，將那個模糊的“小泥人”逐漸塑造成清晰的模樣。最重要的是，這段經歷讓我變得更加獨立和勇敢。在選擇課題時，更加關注這個問題是否重要、是否對本領域有貢獻、以及自己是否感興趣。這種心態(tài)的轉變，讓我在科研道路上更加堅定和自信。
職業(yè)之路：從清晰到堅定
在2023年加入中國科學院理論物理研究所后，我迅速組建了自己的研究團隊。在團隊初創(chuàng)、籍籍無名時，感謝學生和博士后的加入，讓我對自己的科研事業(yè)更加堅定。然而，作為“小青椒”，我在學生培養(yǎng)方面的經驗尚淺，這無疑是一項全新的挑戰(zhàn)。我期待著與大家共同努力，不斷進步。
在任何領域中，辛勤付出與實際回報之間往往不會絕對平衡，不管怎樣，每一份努力都是值得珍視和認可的。對于每個人的職業(yè)生涯來說，勤奮是重要的基石，但在不斷攀登高峰的過程里，單靠努力是不夠的。我們還需要不斷地汲取新知識、積累經驗、保持耐心，同時鍛煉出強大的抗壓能力。擁有了這些品質，無論置身于何種行業(yè)，我們都有潛力去創(chuàng)造非凡。面對迷茫或不知所措時，不妨將注意力聚焦手頭之事。全心全意對待每一項任務，腳踏實地的學習與實踐。在這一過程中，你會發(fā)現(xiàn)積累帶來的快樂會悄然降臨。這份快樂，又會進一步激發(fā)你對所從事工作的熱愛，形成良性循環(huán)。如此，我們不僅能更出色地完成工作，還可能在實踐中發(fā)現(xiàn)自己的興趣所在，讓迷茫逐漸消散。我并非意在鼓勵更多女性(或任何群體)投身科研，但我真誠希望，那些因迷茫或缺乏自信而猶豫是否繼續(xù)科研道路的學生，能給自己一次勇敢嘗試的機會。很多事情只有經歷過才會知道答案。最后，愿以我鐘愛的一句古文作為結語，與大家共勉——“世之奇?zhèn)ァ⒐骞帧⒎浅Ｖ^，常在于險遠，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也。”
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