诺奖得主:我的科研之路 | 大家谈-深度-知识分子

诺奖得主:我的科研之路 | 大家谈

2019/08/06
导读
祝愿所有人能够集运气、冒险和梦想于一身。

Georg Bednorz是1987年诺贝尔物理学奖得主。他同Alex Miller独辟蹊径,从金属氧化物陶瓷中找到了高温超导体,发现La-Ba-Cu-0系统中存在着临界温度高达35K的超导电性,掀起了一个超导研究热潮。

2019年林道会议上,他从自己的科研经历来谈科研事业规划。本文为“赛先生”根据Georg Bednorz的演讲整理所得。

演讲 | Georg Bednorz
整理 | 金斯基
编辑 | 一块肉饼

听一场鼓舞人心的演讲,比寻求专业建议更重要。因为这些建议可能是在当事人立场上所能给出的最好建议,告诉你怎么做比较妥当。听听别人的人生故事,了解他们如何决策,又承担了何种风险,可能对于追求你的个人事业而言更有借鉴意义。
Laura Sprechmann(诺贝尔媒体执行CEO)


今天,让我们来谈谈关于科研事业的规划,谈谈梦想是否能够照进现实。科研道路畅通无阻就像坐上人生直通车的科学家,其实非常非常罕见。通常情况下,我们的早期生涯会经历多次变故:令人欢欣鼓舞的是,在寻找合适的课题方向时,即使在那些早已建立的科学领域中,毫无偏见、不走常规路的思想往往会引发巨大的改变,产生强烈的影响。今天在这里我想和大家分享一下我的个人经历,我的个人科研事业,几件我生命中的重要事件和几个决定性时刻——是它们最终让我走向成功。
 
我想先讲一讲进入大学享受“自由”之前的经历。在漫长的中学学习期间,首先,我获得了对科学的兴趣和激情。这来自我的化学老师,而非物理老师。因为在高中的时候,我几乎不怎么学习物理。然后是创造的欲望。我喜欢做实验,有时候会得到令人意外的结果。这其实也受到了老师的鼓励。我觉得这是非常重要的经历,因此我满心期待地开始学习化学。

然而,第一学年的专业课简直是一塌糊涂,让我从幻想的天空狠狠地坠入现实的地面。这是为什么?我第一年考试就挂科了。所以,我决定找些不同的事情做。

科学始终是我的目标,但我接下来做什么呢?就在我四处寻找下一个目标时,我找到一所小型学院,那里有老师在教矿物学。我感到很好奇,矿物学是什么?随后我了解到,矿物学分为两大学科,其中一个学科是地质学,另一个是晶体学。晶体学就是我在寻找的目标。晶体学中有化学的部分,但其中更多的内容是物理学家在研究的东西,而晶体学所教授的物理则是大部分化学家在研究的东西。如此一来,我多多少少又绕回了化学,顺带加上一点儿物理。


我当时非常享受野外调查。请看这张照片,中间那个人就是我,睁大双眼,在采石场一大堆乱石中寻宝。在这张照片中的那个姑娘后来就成了我妻子。(图源:Bednorz演讲PPT)


我们当时很喜欢地质学和野外考察,同时研究化学和物理。有时候,我们还会毫无畏惧地潜入黑暗深处进行勘探,在幽暗的煤矿里面探险一整天。同一时间研究物理、化学和地质学,确实充满乐趣。


“不要一直只走那条每个人都踏过的阳关大道,偶尔也要偏离一下轨迹,进入森林探险一番。”亚历山大·格拉汉姆·贝尔(Alexander Graham Bell)的话给了我许多启发。虽然我并不认识他本人。但显然的是,听从他的话并做出行动,是一个正确的决定。
 
我运气不错,在学习了两年的晶体学之后,就得到了出国进修的机会。我到了瑞士,加入位于苏黎世的IBM研究实验室。从明斯特的Aasee湖到瑞士的苏黎世湖,我的眼界在不断拓宽。拓宽视野,在新的国家、新的环境开始新的冒险,并进入现实的产业进行研究。


(图源:Bednorz演讲PPT)


这张照片是IBM在苏黎世的研究实验室全貌,中间灰色的建筑就是我在1972年见到的实验室最初的样子,周围的建筑是后来几年陆续建造的。这是一个相当了不起的实验室,当时物理部门的主任Alex Miller在1963年就加入了实验室,比我早了10年。IBM实验室的物理部门主要从事基础研究,为基础领域制造高质量的科研成果,这对IBM的商业活动相当重要。Miller引入了钙钛矿结构,在未来的实验研发和个人发展中发挥了重要作用。
 
当时还是暑期学生的我简直进入了物理学的金矿。我在那里研究氧化物的物理和化学属性。很快,我就被安排控制一台强力生成机,来操控晶体的生长过程。这台机器性能强劲,能够用非常高的温度熔融氧化物。要熔融氧化物,需要用到铂金制成的钳锅。它们非常非常昂贵。

我有一次心太急,温度调得太高了,结果不但熔融了氧化物粉末,连带铂金钳锅一起熔掉了。我以为这下完蛋了。这些材料真的很贵,一个铂金钳锅估计要一万美金。当时真的算是一场灾难。但幸运的是,我的老板在我之前已经熔掉两只钳锅了。他比我还心急,想赶在休息之前赶紧开始熔融过程,好去喝咖啡。他毁掉了两只锅,结果也没法继续做下去了。
 
我很快就融入了实验室大家庭的生活,并且完全接受了实验室文化和精神。在加入实验室的几周内,我就和众人打成了一片。但是三个月以后,我又要离开了。回到明斯特大学之后,我一直想着如何能够继续和他们互动。幸运的是,一年之后,我又接到了另一个项目的邀请。他们问我是否还愿意继续在那里做实验,完成我的毕业论文。

这段时光非常开心,但是又突然结束了——因为六个月之后,我收到了移民局的通知,说我续留3个月的申请被拒了,并要求我最晚在1975年1月22日之前离开瑞士境内。所以我最后回到了明斯特,完成硕士论文。

与此同时,我未来的导师邀请我去他那里做博士研究。所以我没有回到IBM研究实验室,而是去了苏黎世理工大学(ETH)的固态物理实验室。IBM的实验室对我在ETH进行的研究也非常感兴趣。


当时,有一位年轻的研究人员Gerd Binning产生了一个想法,他想将钛酸锶(SrTiO3钙钛矿的一种)和铌结合在一起使用。钛酸锶是一种低温超导体,转变温度(Tc只有0.3K。我们能用它来增加载流密度,得到更高的转变温度。这就是我和超导体的第一次相遇。

我们在加入了铌的SrTiO3中,将转变温度提升到了1.2K。但实际上这没什么用处,因此我和Gerd都感到很失望。于是Gerd转去研究如今称作“扫描隧道显微镜”(STM)的项目了。


H. Rohrer和G. Binning(图源:Bednorz演讲PPT)


1982年,我成为了一名IBM研究员,研究溅射沉积对氧化物薄膜产生的影响。我的一位领导想出了一个很棒的主意,让我们将扫描隧道显微镜和沉积过程结合起来,研究薄膜的早期形成过程。如今这已经成为了标准化流程,很多人都这么操作。但在当时扫描隧道显微镜还不是分析工具,仍然处在研发阶段。所以领导对我们的项目不太满意。我自己对这个项目也不太满意。


在这种状况下,我内心很没有安全感,因此四处打探,寻找其他的研究项目。这时Alex Miller找到了我。当时他已经做了一些关于超导性的研究,他问我愿不愿意加入他的团队,一起研究氧化物的高温超导性。

 
加入Alex的新项目之后,情况就有所改善了。让我大受鼓舞的有两件事。其一,我能够和Binning一起进行钛酸锶超导性的研究。其二,一位理论物理学家Tony Schneider带来了新的研究结果。他发现,在高压下金属可以制氢,并且具有超导性,温度甚至能达到200K。但是条件是必须达到非常高的压力。


Tc的变化情况(图源:Bednorz演讲PPT)


在这张图上,你可以看到该研究的发展过程,Tc是如何随着金属和时间而变化。但是到了70年代,不知为何,研究停滞不前了。大家都觉得超导性这个领域没什么很大的研究前景。

 

美国物理学家Bernd Matthias在超导方面的研究工作没给我们多大的鼓励,即便他是一位优秀的研究员,在超导领域作出很多了不起的发现。但是他说:“提高超导转变温度,是超导现实世界的精神鸦片。我认为Tc不会超过21K-23K。各种理论猜测不过是科学鸦片。它让科学家成瘾、产生幻觉、相互阅读他人的荒唐研究,一切不过是过眼云烟。”

 
但Alex和我有着共同的梦想,我们决定组建一支团队,踏上了一条通向未知的冒险之路。高温超导性就是我们的梦想。它其实是一个建立在Jahn-Teller效应上的、非常简单的模型。我们推测,有些材料中存在电子传输,比如钙钛矿氧化物。它由锂氧八面体构成,中间有一个变化的金属锂。在这些材料中,当电子从一个位置传输到另一个位置时,会呈现出晶格的振动。因此我们希望在金属氧化物中看到这样的效果,并且选用了金属镍和铜作为研究材料。

但在3年多的时间内,我们没有取得任何成功。随着时间的推移,怀疑和失望的情绪不断增加。我在去图书馆查阅和研究相关的报告时,找到了一篇文章。这里我想先引用一句维他命C发现者Szent-Gyorgyi的话。他将科学发现的诞生描述为:“发现就是看到大家都看得到的东西,却从不同的角度去思考。发现就是一场意外,只青睐准备好的头脑。”这跟发生在我身上的情况如出一辙,我确实需要运气。

话说回来,我在图书馆翻阅文献时,找到的文章中提到了一种化合物。它很像钙钛矿,唯一的不同就是位于八面体核心的是铜(BaLa4Cu5O13.4)。文章中还提到,改变Ba/La比例将会改变八面体中心的价电子,从而改变八面体的Jahn-Teller效应。如果我们也能做到这一点,那么我们应该可以看到电子-声子相互作用的增加——这也是经典超导体的运作机制。

 

三年后,正值超导发现75周年之际,突破终于出现了——我们能够将Tc提高50%以上,从23K增加到了35-40K。我们所使用的层状化合物和钙钛矿相关,并表现出了迈斯纳效应(Meisser Effect)。这一突破引发了全世界的狂欢,我们终于发现了高于液氮温度的超导性。这份“配方”的关键部分则是来自钙钛矿的铜氧化物多面体。我们不断改进已知的结构,使得材料发挥作用。我也很希望这研究很快能对我们的日常生活产生影响。

最后我想用德国化学家莱比锡的话来总结:许多科学和技术的发明发现,都是由那些认为“万事皆有可能”的人完成的。我在科研之路中学到的东西源自学生时代。在科研生涯最开始的时候,我观察到了技术的障碍和限制,从中获得灵感,从不同的角度思考,不走常规路。


(图源:unsplash.com)


提问环节

 

问:非常感谢您的演讲,您最后的一段话非常鼓舞人心。30多年前您获得了诺贝尔奖,假设我们回到40多年,面对当时的您,您会跟他讲什么?
 
答:如果你失败了、犯错了,不要放弃。我在科研生涯中犯过很多错误。但我会说,要从错误中吸取教训。分析你的错误,试图从错误的实验中提取出有用的信息。错误会让你更进一步。
 
问:对于那些在备受争议的科研领域里面做研究的人,您有什么建议?

答:争议是一个正常的过程,科学讨论是一件公平的事情,任何讨论和批评都应该被接受。在这个过程中,我们做研究,向同行乃至是竞争对手展示我们的研究。自然规律是非常公正的裁判。如果我们做的实验是正确的,给出了正确的阐释,自然就会告诉我们:你们是对的。这不是任何杂志期刊能作出的裁决。所以如果你是对的,你的研究是对的,你就能作出成果,取得成功。
 
问:不因循守旧,不走常规路是一方面,但是您如何写申请,获得基金来支持您实现那些不合常规的想法呢?
 
答:首先,我想说的是,当我和Alex开始这个研究项目时,我们达成了一个共识:不把这项研究告诉任何人。因为我们担心公开会让我们俩作为严谨科学家的名声受损,因为我们的想法太疯狂了。我们的情况比较走运,因为Miller是IBM的研究员,有充足的基金来研究他想研究的东西。而我当时是初级研究员,有自己的基础项目,脚跟站得还是非常稳的。

另一个走运的地方是我们的氧化物材料和研究设备都很齐全。所以我们只需要很少的钱来推进研究。有时候,你要想办法拨出时间来测试新的想法,这是有风险的。你要想清楚你会有浪费时间的风险,在现实研究中就是当你的想法无法实现,那就是浪费时间、一无所获。这就是试错的问题。
 
问:您是在什么时候产生科研梦想的?

答:这个梦想最初来自我做暑期学生的时候。当时我的知识水平和经验都很有限,却能够有机会与一些已经有一定学术经验的人站在同一水平上。我第一次成功生长的晶体是铌酸锂,为此我感到非常自豪。我意识到,这就是专业实验室10年前的产品。然后我在另一个实验中用的方法,是别人5年前用到的。因此我感到很自信:总有一天,我会成为第一个开发某一方法的人。幸运的是,我的梦想确实实现了。
 
问:改变自己的研究课题,或者来回切换研究方向是否是正确的做法呢?

答:探索不确定的道路只占用了我的一部分时间。我当时有自己的基础研究项目要完成。我所面临的风险是,如果我们的冒险最终没有成功,那就是在浪费时间。因此我并不建议来回切换课题。
 
问:您曾经考虑过其他的研究计划吗?

答:有。1968年到1969年之间,我曾考虑过这个问题。那时候我们只是一个小实验室,面临着来自大洋对岸的压力。有同事非常担心,我们的实验室会被关闭。只要我能继续做研究,不管多久,我就会做下去。如果一切都是错误的,那我还有自信和能力去开家餐馆当厨子。
 
问:在民营企业展开基础研究的未来如何?

答:基础研究的数量的确在明显减少。甚至是IBM,他们的基础实验室也在减少。而且研究所面临的负担还有资金来源,比如有些项目需要欧盟政府的支持等等。研究的课题也在改变。就物理这一领域来说,课题项目在缩减,人们会更加关注设备器件的应用。IBM公司对器件的需求也在减少。他们在尝试新的方法,比如量子计算。我并不知道它的未来会如何发展,但这的确是目前一个比较强势的方向。超导以前也是强势的研究方向,历史上有超导转换器的项目让公司投资了上百万美元,后来因为技术问题结束了研究。也许基础研究方面还会有其他的项目出现,但是未来会越来越侧重应用方面。


文章头图及封图片来源:Volker Steger/UC Davis

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