與塵埃等離子體的親密接觸——記蘇州大學(xué)教授馮巖

本刊記者　褚　焱

與塵埃等離子體的親密接觸——記蘇州大學(xué)教授馮巖

本刊記者褚焱

專家簡(jiǎn)介：

馮巖，“青年千人計(jì)劃”入選者。南京大學(xué)物理系本科及碩士畢業(yè)，美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)博士畢業(yè)，2010至2012年在美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)做博士后，2012年至2014年在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任主任博士后研究員。2014年11月，受聘蘇州大學(xué)教授。

近年，在Physical Review系列雜志上發(fā)表論文15篇，其中包括第一作者在Phys. Rev. Lett.發(fā)表4篇，在Phys. Rev. E發(fā)表7篇。已為Phys. Rev. Lett.等近20個(gè)主流物理雜志審稿近百篇。2012年，獲美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任博士后研究獎(jiǎng)。

上世紀(jì)80年代之前，塵埃等離子體物理還只是天體物理的小分支，當(dāng)90年代初期，塵埃等離子體在半導(dǎo)體刻蝕工藝中首次被發(fā)現(xiàn)，隨后立刻在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)后，全球物理學(xué)家對(duì)該領(lǐng)域表現(xiàn)出高度的熱情，引發(fā)了一波持續(xù)至今的研究熱潮，同時(shí)一系列重要實(shí)驗(yàn)成果不斷涌現(xiàn)，蘇州大學(xué)教授馮巖很榮幸地參與其中。

馮巖向記者解釋，塵埃等離子體物理是研究在等離子體環(huán)境中納米到毫米尺度的固體顆粒的一門(mén)新興的交叉學(xué)科，研究課題涵蓋了等離子體物理、天體物理、半導(dǎo)體加工工藝、凝聚態(tài)物理、軟物質(zhì)物理、流體物理、統(tǒng)計(jì)物理等。從2005年5月進(jìn)入愛(ài)荷華大學(xué)Goree教授課題組開(kāi)始接觸塵埃等離子體以來(lái)，馮巖已有十年塵埃等離子體的研究經(jīng)歷。馮巖對(duì)塵埃等離子體開(kāi)展的研究，主要以實(shí)驗(yàn)為主，同時(shí)結(jié)合模擬理論研究。

塵埃等離子體的三大新發(fā)現(xiàn)

塵埃等離子體具備常見(jiàn)的固體和液體的某些性質(zhì)，像固體的彈性、液體的黏性等。因此它的黏彈性早有人預(yù)言，并已經(jīng)用于一些理論研究，不過(guò)在實(shí)驗(yàn)上從未有人對(duì)其黏彈性有過(guò)真正的量化。馮巖及其科研團(tuán)隊(duì)從系統(tǒng)的剪切流以及應(yīng)力張量的漲落行為著手，發(fā)明了根據(jù)顆粒動(dòng)力學(xué)行為而計(jì)算出隨波數(shù)變化的黏度和隨頻率變化的復(fù)數(shù)黏度的方法，從而量化其黏彈性，且已成功用于塵埃等離子體實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地從實(shí)驗(yàn)上量化了塵埃等離子體在不同空間尺度和時(shí)間尺度上的黏彈性。

這一研究很快在塵埃等離子體領(lǐng)域獲得廣泛好評(píng)，馮巖說(shuō)：“因?yàn)檫@項(xiàng)研究，作為第一作者，我獲得了在美國(guó)舉行的最重要的兩個(gè)等離子體國(guó)際會(huì)議，APS-DPP年會(huì)和IEEE等離子體會(huì)議，特邀報(bào)告兩次。”目前，馮巖的這項(xiàng)研究成果已經(jīng)被別的研究組廣泛應(yīng)用。

塵埃等離子體的多種輸運(yùn)機(jī)制也是馮巖的研究?jī)?nèi)容之一。在塵埃等離子體實(shí)驗(yàn)和模擬中，擴(kuò)散、黏度和熱導(dǎo)這三種輸運(yùn)機(jī)制馮巖曾經(jīng)都系統(tǒng)地研究過(guò)，做過(guò)一系列課題。在這其中，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了塵埃等離子體中存在的巨大的黏性致熱現(xiàn)象，是目前所有實(shí)驗(yàn)體系中最極端的。除了在塵埃等離子體，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在流體物理、強(qiáng)耦合等離子體物理、軟物質(zhì)物理等方面都有重要意義。

馮巖最初的研究目標(biāo)是，希望能通過(guò)塵埃等離子體研究二維固液相變。基于此，他負(fù)責(zé)了相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)展，完成了其中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：塵埃等離子體中的過(guò)熱固體態(tài)和剪切導(dǎo)致熔化的演進(jìn)過(guò)程。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了塵埃等離子體的過(guò)熱固體態(tài)，這一特殊狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)是領(lǐng)先于塵埃等離子體理論，乃至更廣的強(qiáng)耦合等離子體的理論預(yù)言，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了過(guò)熱固體這一物理狀態(tài)的存在。這個(gè)結(jié)果獲得評(píng)審專家廣泛認(rèn)可，他們一致認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次明確了缺陷在固液相變的作用，在凝聚態(tài)物理的眾多領(lǐng)域都將有應(yīng)用。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了塵埃等離子體從固體晶體因剪切導(dǎo)致熔化的演進(jìn)過(guò)程。“我們的時(shí)空演進(jìn)圖揭示了剪切導(dǎo)致熔化這一過(guò)程中本質(zhì)的物理圖景。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛發(fā)表，立刻被國(guó)外做理論的課題組跟進(jìn)，他們把相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)放進(jìn)了液體環(huán)境下，通過(guò)數(shù)值模擬研究了由于剪切而引發(fā)的不穩(wěn)定性。”馮巖解釋道。

在探索中發(fā)展塵埃等離子體

塵埃等離子體實(shí)驗(yàn)最強(qiáng)大的地方在于它的探測(cè)手段，即單顆粒追蹤系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)大于其他的等離子體物理分支，乃至其他物理學(xué)系統(tǒng)。從顆粒追蹤系統(tǒng)得到所有顆粒的精確的位置和速度，從而可以做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析。馮巖說(shuō)：“隨著實(shí)驗(yàn)精度的提高，常用的老方法中存在的一些系統(tǒng)誤差造成了越來(lái)越嚴(yán)重的后果，例如峰值鎖定誤差。”工欲善其事必先利其器，針對(duì)這一缺陷，馮巖著手開(kāi)發(fā)完善實(shí)驗(yàn)研究手段和技術(shù)。

在顆粒追蹤系統(tǒng)的誤差這個(gè)課題中，馮巖及其科研團(tuán)隊(duì)完成了兩個(gè)項(xiàng)目：一個(gè)是關(guān)于顆粒位置，另一個(gè)是關(guān)于顆粒速度。“我們從硬件數(shù)據(jù)采集和軟件數(shù)據(jù)分析兩個(gè)方面的各個(gè)細(xì)節(jié)系統(tǒng)地分析了誤差的來(lái)源，同時(shí)也提出了幾個(gè)可行性建議使得實(shí)驗(yàn)分析的誤差盡可能地最小化。”馮巖說(shuō)。這兩項(xiàng)工作都發(fā)表在了全球一流的實(shí)驗(yàn)儀器及技術(shù)類雜志Review of Scientific Instruments上，受到廣泛關(guān)注，引用次數(shù)在該雜志當(dāng)年發(fā)表的所有文章中分別排在前1.3％和并列前2.6％，包括被多篇PRL引用。

目前，世界上幾乎所有做實(shí)驗(yàn)塵埃等離子體的課題組都在用馮巖發(fā)明的方法。更讓馮巖和團(tuán)隊(duì)成員都引以自豪的是，其他領(lǐng)域，像流體、膠體、生物物理、甚至天文領(lǐng)域，都有不少文章在借鑒、引用這套方法。“每個(gè)學(xué)科都有其學(xué)科特點(diǎn)，利用塵埃等離子體獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法獲得的成果能夠被借鑒到其他領(lǐng)域是我們的榮幸。任何一個(gè)研究人員都有義務(wù)將自身領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)發(fā)揚(yáng)光大，讓自身小領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)給更多的人帶來(lái)更大的應(yīng)用。”馮巖說(shuō)。

從塵埃等離子體研究的歷程來(lái)看，其在1995年迎來(lái)大發(fā)展，全球相繼組建了二三十個(gè)實(shí)驗(yàn)課題組，但德國(guó)和美國(guó)的課題組發(fā)展得最好，一直擁有著強(qiáng)勢(shì)的主導(dǎo)權(quán)。作為一名海外歸來(lái)的科學(xué)家，馮巖將搭建一套全新的塵埃等離子體設(shè)備，依托這套設(shè)備，培養(yǎng)一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，努力為我國(guó)塵埃等離子體在國(guó)際領(lǐng)域贏得話語(yǔ)權(quán)。馮巖說(shuō)：“塵埃等離子體領(lǐng)域的研究，應(yīng)該依托實(shí)驗(yàn)裝置。綜觀當(dāng)前世界強(qiáng)組，全是依托塵埃等離子體科研裝置。2000年前后，國(guó)內(nèi)也曾經(jīng)有過(guò)塵埃等離子體研究熱潮，在一線期刊上出過(guò)一系列重量級(jí)的成果。但當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)幾乎全部都是理論的課題組參與，缺乏大量的一手實(shí)驗(yàn)的支撐，做理論的研究人員興趣一轉(zhuǎn)，整個(gè)方向就立刻冷了下來(lái)。與大陸形成強(qiáng)烈對(duì)比的是臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)伊林教授，他帶領(lǐng)的課題組有一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，正是依托這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，從20世紀(jì)90年代初到現(xiàn)在，他的課題組始終走在塵埃等離子體這個(gè)領(lǐng)域的前沿。”

除了與國(guó)際接軌，回國(guó)后的馮巖更意識(shí)到，這項(xiàng)研究需要與國(guó)家當(dāng)前的重大需求接軌，積極參與國(guó)內(nèi)當(dāng)前如火如荼的等離子體物理研究計(jì)劃。

開(kāi)啟蘇州大學(xué)新征程

作為“青年千人計(jì)劃”入選者，馮巖于2014年11月全職回國(guó)，鐘情蘇州大學(xué)。在蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和軟凝聚態(tài)物理及交叉研究中心，馮巖正在為搭建一套全面的塵埃等離子體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)而忙碌。

他提到，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建方面相對(duì)難度較大，尤其一些設(shè)備被歐美管制，即使可以申請(qǐng)購(gòu)買(mǎi)，審批手續(xù)也很繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，“實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)乎塵埃等離子體是否有新的研究成果，好的實(shí)驗(yàn)裝置可以吸引相當(dāng)數(shù)量的研究人員。如果能搭建起完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，中國(guó)在塵埃等離子體領(lǐng)域?qū)?huì)有更好的發(fā)展。”

為此，馮巖希望能建設(shè)一支塵埃等離子體研究團(tuán)隊(duì)。深諳國(guó)外教學(xué)模式的馮巖非常重視學(xué)生的培養(yǎng)，他說(shuō)：“非常幸運(yùn)可以在Goree教授的課題組攻讀博士學(xué)位，在那里的這些年，每做一個(gè)課題，從前期可行性立項(xiàng)開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備到中期操作，數(shù)據(jù)分析，再到后期論文撰寫(xiě)、匯報(bào)報(bào)告，包括下一個(gè)課題的引入，Goree教授都會(huì)給予系統(tǒng)培訓(xùn)。這樣的耐心不是每一個(gè)導(dǎo)師都能具備的，在這一方面，我將多多學(xué)習(xí)他，這可能會(huì)有利于學(xué)生在整個(gè)科研工作步驟上的把握以及思路上的引導(dǎo)。”

馮巖希望，經(jīng)過(guò)三五年的發(fā)展，塵埃等離子體團(tuán)隊(duì)將會(huì)有兩三名教授、副教授帶領(lǐng)課題組的科研項(xiàng)目，兩名左右專職工程師或?qū)嶒?yàn)員協(xié)助維護(hù)整套塵埃等離子體設(shè)備，以及多名研究生和博士后。

“我將盡我最大能力讓我們課題組的研究在全世界塵埃等離子體屆占據(jù)一席之地。”馮巖說(shuō)。在塵埃等離子體這項(xiàng)神秘的研究中，馮巖已經(jīng)走在前沿，而在蘇州大學(xué)的奮斗中，馮巖才剛剛起步。