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静心探索重要 的基础科学问题不求“短平快”70后物理学家翁红明******

　　翁红明在讲解电子运输理论。

　　田春璐摄

　　人物简介 ：

　　翁红明 ，1977年出生，现为中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室研究员 、博士生导师。主要致力于凝聚态物理计算方法和程序的开发以及新奇量子现象 的计算研究 ，成果入选2015年度中国科学十大进展 、英国物理学会《物理世界》2015年度十大突破 、美国物理学会《物理评论》系列期刊创刊125周年纪念文集等 。

　　在中科院物理研究所（以下简称“物理所”）的年轻人里 ，研究员翁红明是小有名气的一位 。就在刚刚过去 的2022年，他因在数学物理学领域的杰出贡献 ，获得第四届“科学探索奖” 。

　　在国际计算凝聚态物理研究领域，翁红明成果颇丰。其中最为人称道的 ，是他和同事们合作首次在固体中观测到外尔费米子和三重简并费米子 的准粒子 。这是国际上物理学研究的重要科学突破 ，对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术 的诞生具有非常重要的意义。

　　自由思考 、厚积薄发 ，真正对人类文明有所贡献

　　1928年 ，英国物理学家保罗·狄拉克提出了描述相对论电子态 的狄拉克方程 。1929年 ，德国科学家赫尔曼·外尔指出，当质量为零时，狄拉克方程描述 的是一对重叠的具有相反手性 的新粒子 ，即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷，却不具有质量 ，因而具有确定的手性（指一个物体不能与其镜像相重合，如我们的双手，左手与右手互成镜像 ，但不能重合） 。

　　但 是80多年过去了 ，科学家们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子 。直到2015年1月初 ，中科院物理所方忠研究员带领 的研究组与普林斯顿大学研究小组合作，从理论上预言了在以砷化钽为代表 的一批材料中存在着外尔费米子。此后 ，这个理论预言经过实验得到了进一步验证。

　　在研究过程中，翁红明发挥了至关重要 的作用 。他从发表于1965年的一篇实验文献中受到启发，并通过第一性原理计算 ，初步认定砷化钽晶体等同结构家族材料可能 是无需进行调控的、本征的外尔半金属 。这类材料能够合成，没有磁性 ，没有中心对称 ，是实验制备 、检测都非常便捷 的绝佳材料 。

　　翁红明说：“这一发现的难度在于，从众多材料中找到合适 的对象犹如大海捞针 ，必须对外尔费米子和材料物理特性都有相当认识才行 。”

　　在外尔费米子被发现 的一年后，翁红明和同事们又进一步“预言” ：在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并 的电子态 。

　　2017年6月 ，这个新预言被实验证实，三重简并费米子被首次观测到 。这是物理所科研团队继拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应 、外尔费米子之后 ，在拓扑物态研究领域取得的又一次重要突破，引起国际物理学界广泛关注。

　　成绩源于多年的深耕积累。翁红明很享受在物理所工作的经历 ：“这无关荣誉，我找到了更感兴趣、更加深入 的研究领域和方向 。”

　　自由思考 、厚积薄发，一直是翁红明喜欢的学术氛围。他所追求的不是多发表文章，而 是能攀登科学高峰，真正对人类文明有所贡献 。

　　科研仅靠一个人或一个小组 的力量 是不够的

　　作为理论物理学家 ，翁红明专攻量子材料的计算和设计。

　　物理学通常分成两大类 ，即理论物理和实验物理。理论物理通过理论推导和公式推算得出的结论被称为“预言”，“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认 的科学事实 。

　　在翁红明看来 ，他接连获得 的几次重大发现 ，都离不开与同事们 的通力合作。这 ，也是他做科研一直特别重视的一点。

　　“理论预言 、样品制备和实验观测 ，这三个环节缺一个都不行 。”翁红明说，“在当今科学领域细分程度非常高 的情况下，科研仅靠一个人或一个小组 的力量 是不够 的 。当有重要任务目标时 ，我们几个小组紧密合作，在理论、样品、实验等环节实现了环环相扣 、无缝对接 。”

　　在许多人 的想象中，理论物理学家的工作 ，就是每天独自埋头在稿纸堆里计算推演，然后坐着冥思苦想 、灵光乍现 。

　　但翁红明认为，计算推演的确要做 ，思考分析也不可少 ，但和同行们 的交流也非常重要。他每天上班 的第一件事就是查看和了解国际上最新的科研进展 ，然后分析、思考 、计算，再把自己的想法跟同事们交流。“很多时候，我的一些想法，或者说突然的一些灵感，其实都是在思考 、交流和工作过程当中产生的。”

　　“发现三重简并费米子”这一成果，就源于翁红明和石友国 、钱天两位同事一次喝咖啡时的思想碰撞。

　　物理所的咖啡厅在学术界享有盛誉 ，不但因为咖啡好喝，也因为常有科研人员汇聚在此畅聊科学 、各抒己见，聊着聊着 ，灵感经常“火花四射” 。

　　和大家一样，翁红明 、石友国和钱天工作之余也喜欢在咖啡厅一聚。翁红明有什么新想法会第一时间告诉他俩 ；石友国和钱天在实验过程中有什么新发现或疑惑，也会第一时间反馈给翁红明。

　　“闲聊中就能交换信息 ，我们的交流 是完全敞开的，毫无保留地让大家知道彼此做了什么 。”翁红明说 。

　　翁红明告诉记者，在科研道路上 ，自己非常珍视 的成功秘诀有两个 ，一个 是注意总结和积累 ，另一个就是跟别人多交流 。

　　“目前我努力发展基于大数据和人工智能 的凝聚态物质科学研究，其实也 是基于这两点考虑 ，因为所有人的知识积累都体现在这些数据当中。”翁红明说。

　　做研究应该抓住一些更新奇、更本质 的问题

　　1977年，翁红明出生在江苏泰兴一户普通人家。他的父母都是农民 ，家里还有一个姐姐 。

　　初中开始，翁红明第一次接触到物理 ，从此便沉迷其中。“物理让我对周围的世界有了更深入的了解和认识。”翁红明说 。

　　兴趣是最好 的老师 。对物理 的热爱 ，指引着翁红明叩开了物理科学 的大门 。

　　1996年 ，翁红明参加高考。在填报志愿时 ，他毫不犹豫地将所有的志愿都填上了物理。最终 ，他如愿被南京大学物理系录取。

　　南京大学 的物理系在凝聚态物理领域积淀很深 。翁红明在这一领域进行相关知识的学习与研究 ，一学就是9年 ，直到博士毕业。毕业后，他去了日本 的东北大学金属材料研究所做博士后研究，主要研究各种材料 的导电性质。

　　到日本一年半后，翁红明萌生了转换研究方向的想法。

　　“我想要转到计算方法和程序 的发展上，这是凝聚态物理领域中一个最基础也 是最具有核心竞争力 的方向 。”翁红明说 ，“如果想要在这个领域有长远发展 ，就要在这个方向上有一定 的积累 。”在他看来，静下心来探索重要 的基础科学问题 ，要比做一些“短平快”研究更有意义 。

　　想归想 ，但真正下定决心，翁红明也经过了一番纠结 。

　　他坦言：“当转到一个更基础的方向，也意味着你在未来的几年甚至 是更长的时间里都需要耐得住坐冷板凳 。所以必须做好思想准备 ，去做一些积累性 的工作 。”

　　2008年 ，翁红明 的人生又有了一次重大转折 。

　　那一年，物理研究所研究员 、博士生导师方忠到日本访问交流，翁红明跟他进行了深入的交谈和讨论 。

　　翁红明告诉记者 ：“他跟我介绍了当时做的一项很有意思的工作。虽然我那时并没有很深刻的理解 ，却受到很大的启发——做研究应该抓住一些更新奇 、更本质 的问题。”

　　在方忠 的影响下 ，2010年，翁红明决定回到国内，入职物理研究所 ，成为方忠团队 的一名成员 。

　　翁红明说 ：“每个人在一生当中可能会跟很多人交往交谈 ，但在人生重要转折时刻能够给你启发的却不多。能有这样的机遇去跟方忠老师交流并受到启发，我觉得这 是非常宝贵和幸运的。”

　　在新的一年里，翁红明说自己有很多研究工作要做 ，尤其是如何在拓扑电子学器件研究方面取得突破，促使拓扑电子态理论变成可落地应用的技术 。而这，需要跟器件和应用等方向的研究人员进行交流和讨论 。

　　翁红明相信，拓扑时代 的黎明时分正在临近 。（记者 吴月辉）

春运归乡路上 ，这些“黑科技”护您平安******

　　归乡路上，这些“黑科技”护您平安

　　◎实习记者 都 芃

　　脚步匆匆，兔年春节将至 ，一年一度的春运大幕已经拉开。

　　这个春运，是疫情防控进入新阶段后的第一个春运 。在此期间，数以亿计的旅客将借助航空、铁路、公路等多种交通方式踏上归乡之旅 。

　　来自交通运输部 的数据显示 ，今年春运客流总量预计约为20.95亿人次，较去年同期增长了近一倍 。

　　道路千万条 ，安全第一条 。

　　无论选择何种方式出行，平安始终 是所有人的共同愿望 。在本次春运中，有多种高科技被应用于安保环节，如毫米波、人脸识别等。它们在保障旅客安全的同时 ，也大大改善了人们 的出行体验 ，守护着亿万人的回家路。

　　各类防爆装置：

　　利用特殊结构 ，巧妙化解危险

　　在机场、火车站 、地铁站等交通站点的角落里 ，通常会看到一个圆滚滚的深色球体，这个“胖家伙”是站点应对突发情况的排爆“神器”——防爆球 。

　　防爆球通常是旅客最容易识别出 的防爆装置，其一般采用球形 、封闭式结构 。在处置爆炸物时，首先将爆炸物通过机械手臂和排爆杆递送到球体内 ，然后封闭球体。当爆炸物在球形罐体内爆炸时 ，由高强度结构钢构成 的罐体便能够将爆轰产物封闭在球内，使其不产生更大危害 。

　　北京理工艾尔安全科技有限公司防爆装备部部长 、高级工程师卞晓兵告诉科技日报记者 ，防爆球的防爆能力一般在2至3千克TNT(三硝基甲苯)当量。其自身重量通常在1吨以上，因此通常需要配合拖车使用 。

　　与防爆球类似 的防爆装置还有防爆罐 ，桶状外形的它其貌不扬 ，要“低调”许多。

　　与防爆球不同的 是 ，防爆罐通常 是上方敞开的非封闭式结构 。当爆炸物在其中爆炸时，高强度金属结构构成的罐体底部和壁面会将冲击波向上导出，使爆炸能量从顶部泄出，保护周边人员安全。防爆罐的防爆能力一般为0.5至2千克TNT当量 ，其自身重量在300千克以上，使用时通常也需拖车配合。

　　除了大当量 、大重量的防爆装置，卞晓兵表示 ，如今防爆装置的一大发展方向为结构轻量化 。如当下已经被广泛运用的防爆毯，便通常采用多层复合材料制成，由内外围栏和盖毯组成 ，能够有效拦截爆炸破片 ，并引导爆炸能量向顶部泄出 ，其防爆当量约为一颗手雷，自身重量通常在30千克以内，便于移动 。

　　除此之外 ，卞晓兵介绍 ，目前最新 的轻量化防爆产品还有柔性防爆罐、刚柔复合防爆罐等 ，能够结合多种不同排爆场景使用。例如 ，柔性防爆罐内有多孔吸能泡沫和防爆阻燃液体 ，同时它采用了高性能纤维结构设计。在爆炸时 ，通过其内部 的多孔吸能泡沫和防爆阻燃液体，实现对冲击波能量的高效吸收和转化，再通过高性能纤维结构实现对破片 的全部拦截。

　　毫米波人体检查设备：

　　无接触精准检测 ，为出行提速

　　不超过2分钟，这是深圳宝安国际机场试行无接触安检后旅客通行的速度。

　　2021年9月，深圳宝安国际机场成为首家试行“无接触自助安检”模式的国内机场 。采用该安检模式 ，旅客不用与安检人员接触，只需自主脱下腰带和鞋，进入毫米波人体检查设备 ，并将随身携带的物品 、行李放入CT安检设备，且笔记本电脑、雨伞等物品无需单独取出 。检查完成后，如果机器未报警，旅客即可快速通行。正常情况下，整个安检用时不超过2分钟。

　　在无接触安检中 ，扮演重要角色的是毫米波人体检查设备以及CT安检设备 ，它们也 是近年来安检领域科技创新的最新成果 。

　　中南大学自动化学院教授梁步阁告诉科技日报记者 ，虽然毫米波在安检领域的应用并不多见，但其此前已经在雷达探测、无线通信等领域得到了广泛应用 。

　　“比如，现在许多拥有自动驾驶功能的智能汽车，通常就配有毫米波雷达。”梁步阁介绍 ，毫米波属于电磁波 的一种，其波长为1至10毫米 ，因此被称为毫米波 ，且毫米波频率非常高 ，通常在30到300赫兹之间 。

　　梁步阁表示，正是由于毫米波波长短 、频率高、带宽大，使得其具有较高 的分辨率，能够被广泛应用于物体探测 。而且毫米波较短 的波长使得设备天线 的尺寸得以缩小 ，由此毫米波设备的体积就可以缩小，重量也随之降低 。

　　除此之外，梁步阁表示 ，毫米波设备的生产制造十分便于芯片化 ，即能够将多种元器件集成在芯片上进行批量生产 ，进而可快速降低成本。“体积小、重量轻 、成本低，这些特点都使得毫米波设备能够走入我们的日常生活 。”他补充道 。

　　不过，毫米波并非没有缺点 ，探测距离短就 是它 的“硬伤” 。

　　梁步阁表示 ，相较于传统雷达数百乃至数千公里的探测范围 ，民用 的毫米波探测设备 ，其工作距离一般仅为几百米，只能被应用于近距离 的目标探测。而人员安检正是毫米波“扬长避短”，发挥本领的绝佳场景之一 。

　　同时，与在安检领域被广泛应用 的金属探测仪相比，毫米波人体检查设备 的精准度更高 。

　　“金属探测仪通常 是利用金属自身会引起电磁感应或者霍尔效应 的原理来探测金属物品，属于无源探测器。而毫米波设备则是通过主动发射毫米波 ，再分析物品反射回 的电磁波来进行探测 ，属于有源探测器 ，后者检测更加精准 。”梁步阁介绍道。

　　因此 ，被应用于安检领域 的毫米波设备 ，不仅能够检验金属物品 ，就连如陶瓷刀、塑料刀等非金属物品也可以检测。

　　同时 ，梁步阁补充道 ，虽然精度高，但毫米波设备对人体 的影响几乎可以忽略不计 。“毫米波产生 的辐射属于非电离辐射 ，并且功率较小 ，其影响大致相当于手机对人体 的影响 ，因此不需要过多担心 。”他说。

　　如果说在安检领域 ，毫米波人体检查设备还只 是“新人”，那么CT安检设备应该算得上 是“老人”了。

　　CT安检设备与医院中使用的CT成像仪工作原理基本一致，即利用X射线 、γ射线等重射线 的强穿透性来实现对物体的内部成像。

　　X射线等重射线的频率不仅远远大于毫米波，也更在可见光之上。“频率越高 ，单个光子的能量就越大，因此能够穿过物体 ，进行精准 的穿透成像。”同时 ，梁步阁表示 ，CT安检设备在工作时通常会分层进行成像 ，最后层层叠加 ，形成物体 的三维图像。在此基础上 ，安检员可运用360度旋转判图、切片等功能 ，更为准确地判断识别层层堆叠、形状复杂的行李物品，提高开包准确率，缩短开检时间。

　　人脸识别系统 ：

　　可实现人包对应 ，便于行李提取

　　除了“硬核” 的安保设备 ，得益于多种先进科技手段的应用 ，为春运出行保驾护航的还有软件系统 。

　　此前 ，国内多家机场宣布在值机 、安检等环节中采用智能人脸采集比对技术。旅客可以自助完成人 、证合一检验 ，从而大大加快登机速度 。

　　同时，人脸识别系统还可以与安检信息管理系统、旅客随身行李处理系统实现无缝衔接，将采集到 的人脸信息 、旅客安检信息、旅客行包信息进行绑定，实现人包对应，既方便旅客托运 、提取行李 ，同时也便于对违规物品进行登记、追溯 ，提高安检准确度 ，实现快速倒查。

　　此外，在北京大兴国际机场 ，当工作人员佩戴应用了AR(增强现实)技术 的眼镜后，也可以利用其人脸识别功能 ，识别旅客的登机信息 ，快速寻找待登机旅客并为旅客提供便捷服务 。

　　北京理工大学网络与安全研究所所长闫怀志向科技日报记者介绍 ，人脸识别作为当下一种常见 的生物识别技术 ，其主要基于人的脸部特征信息来进行身份识别 。具体流程包括人脸图像采集 、图像检测、信息预处理 、人脸特征点提取和人脸匹配/识别等 。而无论 是固定设备还是移动设备，其所采用的人脸识别技术在原理上都 是类似 的 ，最主要的区别在于不同设备所采集 的图像质量不同。

　　“比如说取景范围 、图像像素、图像格式等，而图像质量 的不同则会对图像匹配精确度和准确度造成一定 的影响 。”闫怀志表示。

　　提及人脸识别 ，信息安全始终是公众最为关心的问题之一 。

　　对此，闫怀志认为，目前人脸识别技术应用广泛，由此必然会带来一定的信息泄露风险 。

　　“这种个人信息泄露 的风险主要来自于后台数据库以及识别后 的信息存储系统 。”闫怀志认为，管控人脸识别信息泄露风险 ，主要应从技术和管理两方面来加强保障。相关企业单位必须按照《网络安全法》《数据安全法》《个人信息保护法》的要求建立健全完善 的安全防护体系 ，并遵从相应 的标准规范 。在技术层面上 ，应着重在物理环境、主机系统 、应用系统以及业务数据等层面构建纵深防御体系 。在管理方面 ，则应从安全管理制度 、安全建设、安全运维等多个角度来强化安全管理。

　　（文图 ：赵筱尘 巫邓炎）