科学视点

林晓研究员:科学研究应服务于社会和国家的需要

编者按:林晓,在2020年9月13日中国科学院大学“2020年教师表彰大会”上被授予“领雁金奖”。他带领中国科学院大学“热学”教学团队获评北京高校优秀本科育人团队。“教书育人,更是一种情怀。”在林晓看来,每次授课过程中与学生们在语言、目光上“高山流水”知音般的交流,会让他感到愉悦和振奋;看到学生成长成才,不断进步,他会有着比发表一篇论文更大的成就感。林晓作为一名老师,言传身教,传道授业解惑;作为一名实验物理科学家,承担数项国家重大科研任务,为解决国家的“卡脖子”难题而努力。

摄影/涂植鹏

讲课“风趣幽默”,内容“知识硬核”,在大学,这足以让一门课冲上抢课热度榜。在中国科学院大学(以下简称“国科大”),林晓的课堂便是如此。

国科大2016级本科生、2020级研究生刘潇说:“林教授是我大一基础课力学的助教,上他第一节习题课时我就被他所讲的内容深深吸引了。教授逻辑清晰、风趣幽默、循序善诱又直抓问题本质。后来我又选了他的热学课。”

刘潇的同班同学张浩说:“我第一次上林老师的物理实验课之前,就听很多身边的同学说喜欢林老师,他的课内容专业有深度,同时又诙谐幽默,非常具有吸引力。”

“早课不犯困!”国科大2016级本科生刘泽宇的表达更是直接,“我选的是林老师的热学课,他上课永远都是笑呵呵的,特别有亲和力,课堂内容深入浅出,十分‘硬核’。”

林晓被评为“最受学生喜爱的老师”,更被学生们“笑称”他是物理课堂的“段子手”。他的课程入选了首批国科大“本科荣誉课程”,并荣获“中国科学院教育教学成果奖”,课程的课件也被其他高校的数位教师用于教学参考。

“教书育人给我带来成就感”

林晓是国科大物理科学学院教授、博士生导师,他为国科大的本科生教授热学、基础物理实验等课程。

2013年9月,林晓获得科院人才引进计划支持回国,以副教授的身份入职母校国科大,开启了教书育人、科学研究的新征程。初入职,他为研究生讲授X射线晶体学课程。2014年9月,国科大首届本科生入学。入职一年的林晓,从一名助教做起,开始了他的本科教学生涯。

“新生”的国科大本科生教育以“精英教育”为特色。授课教师由院士、著名专家学者担任,还有实力雄厚的助教队伍为学生答疑解惑。当时,林晓担任着教学名师田光善讲授的基础物理-力学课程的助教以及中国科学院院士欧阳颀基础物理-热学课程的助教,给学生们讲授力学和热学的习题课。

2016年春季,林晓开始主讲本科生热学课。刘潇觉得“林老师讲课非常清晰,通俗易懂”。他的课堂既有“大家想象有一只真空中的球形鸡”这种挑战想象力的硬核知识;也有知识背后引人思考、启人智慧的科学史和科学家精神。

林晓在讲授基础知识的同时,还努力剖析学科发展的深刻社会历史背景。他分析热学发展过程——人力、畜力满足不了社会发展对动力的需求,促进了热机的发明、改进和广泛应用,进而再有卡诺对热机的思考,这才有了卡诺定理的提出,推动了热学理论的建立和完善。这样的分析告诉学生们,科学不是少数人凭空想象产生的,而是社会发展和需求所驱动的。所以要善于从现实社会需求中发现问题,提出问题,解决问题。

“科学发展有社会经济基础作支撑,即生产力发展到一定阶段对技术提出要求,进而提出科学问题,推动科学探索,同时也为科学研究提供物质基础。”这也是林晓一直给学生传达的思想。

课堂之外,他建立QQ群,不定期转发前沿科技文献,供学生阅读学习;同时,鼓励同学们多读书、读好书;鼓励大家在群里匿名提问交流。他想,“通过建立线上交流群,引导同学们善于思考,大胆提问,互相帮助回答问题。事实上,学生问和答的过程,都是很好地自我提高的机会,因为无论是提问还是解答,都需要阅读文献、深入思考。”

刘潇说:“林老师平易近人,与学生们可以畅聊任何话题,对学生从不吝啬夸奖。大三时,他被我们班学生一致推举为名誉班主任,大家无论是学习科研还是生活上出了问题,都会想到去问林老师。”

林晓还担任着本科生基础物理实验课程的首席教师。他支持学生早进课题组,早进实验室,以前沿课题研究项目为抓手,提高学生创新能力和实践能力。他还不定期组织凝聚态物理讲座,邀请领域内的名家大师给同学们带来最前沿的物理学研究进展。

“教书育人,更是一种情怀。”在林晓看来,每次授课过程中与学生们在语言、目光上“高山流水”般的交流,会让他感到愉悦和振奋;看到学生成长成才,不断进步,他会有着比发表一篇论文更大的成就感。

“在合适的平台上作更大的贡献”

在学生们看来,林晓的课堂之所以深刻有料又通俗有趣,源于他对物理的深刻钻研和真挚热爱。

林晓不只是一位教师,也是一位纯粹的科学家。

而他走上物理学研究之路,或许是家庭潜移默化的影响。林晓的父亲毕业于复旦大学物理系,不过后来从事了医学工作。在中学时期,物理是林晓各科成绩中最为优秀的一门。后来他考入了北京理工大学物理系,随后又在中国科学院物理研究所攻读博士学位,从此一路与物理相伴。

为了更好地实现科研梦想,2006年8月,林晓博士毕业后,获得洪堡基金会的支持前往德国马普学会弗里茨·哈伯研究所继续深造。2010年4月,他又到了美国太平洋西北国家实验室工作。

“在国外,利用其高水平的科研平台、先进的仪器设备,学习吸收先进的科研理念,让我获益良多。”林晓坦承,在那时,中国的科研条件和水平不比现在,尤其是基础研究还很薄弱。

林晓始终未忘祖国的召唤。“国家正处在高速发展阶段,科研投入与实力都有较大提升。在凝聚态物理领域,虽然整体相对还有些差距,但在某些方面已跟国际处在同一起跑线上,甚至超越了国际水平。”所以林晓选择了归国。

2013年9月,林晓回国,回到母校国科大物理科学学院任职。在他看来,回国后,更重要的是自己可以在一个合适的时机和平台上作出更大更好的贡献。不是等一切都成熟后坐享其成,而是在学校和学院的大力支持下,他与同事一起建设实验室、购置仪器、招收新生……

林晓用一棵小树苗作比喻,“起初它在土壤里生根发芽时,我们在表面并不能看出它在生长,但其实打牢了根基,才能更好地生长。”

2016年,林晓有了新身份——科研处处长。在他看来,这是一个为科研人员和国科大科技创新服务的身份。

自任职以来,林晓和科研处的同事们一起采取了多项举措。“我们想给大家创造一个好的学术氛围、交流空间,激发创新活力,提升学校科研水平。”组织召开交叉学科研讨会,推动不同学科科研人员深度交叉合作;实施“国科大优秀青年教师科研能力提升计划”,稳定支持具有良好发展潜力的青年教师,鼓励他们在学术道路上持续钻研。

“科学研究应服务于社会和国家的需要”

物理学有很多分支,比如天文学、粒子物理等。天文学是研究极大尺度的物体运行规律,而粒子物理是研究极小尺度的物体的行为规律。在两者之间还有一个很广阔的领域,那就是凝聚态物理,它属于中间尺度,与人们日常生活最为接近。

凝聚态物理,便是林晓所处的科研世界。

“凝聚态物理是研究很多、非常多、极其多个粒子在一起时的物理,重要的事要说三遍。”林晓笑着说。多粒子之间相互关联便会产生有趣的新现象、新性质,“诺贝尔物理学奖得主、著名凝聚态物理学家菲利普·安德森曾发表文章认为‘More is different’,就是说,多了以后就不一样了。”

近年来,凝聚态物理学已逐步发展为当今物理学最大的分支学科。磁性、超导、纳米材料等都是其研究对象,它们呈现出的诸多新奇、有意义的物理现象吸引着大量的物理学研究者投身其中。

林晓是其中的探索者之一。在他看来,凝聚态物理的研究还有一个更重要的特点——与生产实践联系密切,对社会发展起到直接的推动作用。

“比如半导体芯片,这是起源于凝聚态物理的成果。”凝聚态物理为发展新材料、新器件提供了科学基础,在科学探索和实际应用之间架起了一座桥梁。

多年来,林晓致力于凝聚态物理实验研究,尤其在新型二维原子晶体材料及其器件的探索中取得了诸多重要成果。

二维原子晶体是一种新型材料,近年来备受人们关注,其中,石墨烯是典型代表。石墨烯因具有超高的载流子迁移率等许多优良的特性,在电子学、光学、磁学、催化、储能和传感器等领域都有着巨大的应用前景。林晓认为,“石墨烯的发现,相当于打开了新型二维原子晶体材料研究的大门,这个门里面有很多问题值得研究探索。比如不同研究组获得的石墨烯/氮化硼异质结构性质迥异,这一点一直令科学家们感到困惑。”

当时,诺奖获得者Geim教授的团队正研究石墨烯/氮化硼异质结构的性质,他们在表面结构精细表征方面遇到了困难,寻求在国际扫描隧道显微学研究领域享有盛誉的高鸿钧院士课题组进行合作。林晓参与其中,与学生们改造仪器设备,努力消除振动的影响,通过扫描隧道显微实验获得单原子水平上的石墨烯/氮化硼样品的大面积精细表面结构图像,使得人们在原子尺度上对公度-非公度转变有了更清晰、全面、深入、完整的认识和掌握。

“我要特别感谢我们的学生,因为要获得原子尺度的图像和数据,必须要在十分安静的条件下做实验,外界的一点扰动就会对实验产生严重影响,他们常常在夜深人静的时候做实验,熬了很多个深夜,最佳实验时间是春节假期那几天的半夜,大家都没有休息。”林晓说。也正因如此,他们取得了别人难以突破的成果。

林晓对石墨烯等二维原子晶体的关注仍在继续,对“more”的追寻也从未停止。

在传统研究中,人们大多在寻找层状结构块体对应的二维单层材料。“自然界这样的材料种类有限,在有限的种类中拓展应用总归受限。”林晓认为,“我们要想构筑一个丰富多彩的世界,就要创造足够多的新型材料,丰富材料的性质,这样才能在利用时有更多选择空间,从而满足我们的需求。”

高鸿钧院士的指导下,他和学生大胆创新、尝试,不被已有的框架所局限,制备出了没有对应层状块体的二维单层硒化铜材料,而且该硒化铜材料具有天然的图案化特性,在电子器件以及化学催化等方面极具应用前景。这一新型材料得到了国际同行的高度认可,其成果发表在《自然-材料》杂志。美国伊利诺伊大学Joseph W. Lyding教授指出:“若将证实的‘自然图案化’方法推广到一大类以硫族化合物为主的二维材料中,会为制备纳米尺寸器件及化学过程系统创造更多的机会。”

作为一名实验物理科学家,林晓和团队多年如一日,耐得住开展科学实验时的寂寞,有着处理实验数据的细心、分析实验结果的严谨,不断取得科学突破。他在国际重要学术刊物上已发表论文70余篇,并于2019年成功申请国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目。

林晓坚信,科学研究应为国家需要服务。近年来,他开始关注“量子计算”相关的扫描隧道显微学及输运测量研究,承担了数项国家量子调控与量子信息重大科研任务,为解决国家的“卡脖子”难题而努力。

宽以待人 乐观豁达

在学生们心里,作为一名博士生导师,林晓有着独特的人格魅力。

刘潇的成长深受林晓的影响。大三时,对未来迷茫的刘潇时常在课后找林晓聊天,林晓用自己和其他科学家的成长经历启发刘潇如何解决困惑,还邀请刘潇到课题组,与研究生们交流,感受他们的学习生活。

“这些让我走出了迷茫和焦虑,也让我找到了科研兴趣和人生方向。”刘潇说。如今他已成为一名研究生,专注于扫描隧道显微学在量子计算中的应用研究。

刘潇说,林晓经常鼓励他,“没关系,很好办”“你肯定没问题”“问题不大”,这些让他一步步变得沉稳和自信。

另一位博士生郑琦则被林晓勤奋严谨的精神深深感染。“每天晚上10点多,我们还能在实验楼见到林老师。他十分勤奋,但从不会严苛地要求学生也加班。”郑琦说。林老师对学生很宽容,他鼓励学生有自己的想法,同时给出指导和建议,如果学生因为失误造成了实验失败或是损坏仪器,他总是先关心学生的安全,并安慰学生“没关系”,从未因此而责备学生。

事实上,乐观与豁达,是林晓的人生态度。他把人生中遇到的挫折看成是鼓励和鞭策,把忙碌当作充实。在他看来,好心态很重要,“从某种程度上,正是由于人生的起起伏伏,才能看到最美的景象。正如歌里唱的,不经历风雨,怎能见彩虹。”

林晓认为,作为年轻的科研人员,科学的价值观、坚守科研诚信的底线十分重要。“科研之路必然要有辛苦的付出,做好这个准备,就大胆放手去干吧!”

国科大,林晓肩负着多重职责,但他踏实努力,不疾不徐。“我踏踏实实做着自己的工作,就像农民种地一样,相信到了秋收的季节总会有收获,努力的人是不会被辜负的。”


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