今日启明星︱在量子层面探索超冷化学奥秘的年轻人
杨欢
中国科技大学上海研究院特任副研究员
打开2020年启明星通讯录，笔者注意到中国科技大学上海研究院（上海中科大量子工程卓越中心）从事原子分子物理研究的特任副研究员杨欢的名字。
牛年新春前夕，我们来到位于浦东新区秀浦路99号的中科大上海研究院采访杨欢。虽同处浦东热土，但秀浦路较张江等还是偏了不少，周边也没有多少商业痕迹，倒是一个适合做学问的地方。
我们在和杨欢交谈中得知，刚过而立之年的他已在这里生活了8年，这里既是工作场所，也是杨欢等一批年轻人住宿所在。
杨欢的工作是偏基础研究的，是观测研究绝对零度下原子分子的量子行为，探究其物理规律。
除每年春节等长假安排回合肥家里之外，一年绝大多时间杨欢都在这里，每天工作到晚上12点，每周休息一天。杨欢因为真的十分喜欢自己所从事的科学研究工作，或许还有一份责任，他才能专注于此，并暂时舍弃与家人相守的人之常情。
那么杨欢到底是从事什么研究，他的人生又是怎样与中科大、与物理学研究发生关联的？这一切还得从杨欢的家庭和教育背景说起。
从小受益于父亲的思维方式
1989年，杨欢出生于江淮之间的安徽六安，是家中的独子。父母都是农民，家庭经济比较困难，杨欢初中时父母离家打工，由奶奶照管生活。
与所有那个年龄的男孩一样，杨欢也很贪玩，加上没有人督促学习，学习成绩在镇里初中排在前十，以中等成绩进入安徽毛坦厂中学，在3 000多学生中处于中游。第一学期自律还是不够，杨欢母亲就放弃打工回家，在毛坦厂中学附近租房照顾儿子的起居生活。杨欢的成绩从中游上升到位居前十几名，高一物理更考到全班第一。
家里觉得他成绩好，就付了2万元借读费让他到六安一中（省重点）借读，这里聚集了各市县的拔尖学生，借读生在一年内学习成绩优秀可转为正式生。一年后杨欢正式进入六安一中。
父亲学过电工，平时也喜欢捣鼓机械电器，学会了电焊机维修。靠这门手艺赚了点钱，借读赞助费就是这样积攒下来的。
慢慢懂事的杨欢知道父母挣钱不易，为他的读书花了不少钱，因而在学习上更努力了。
说起父母对自己的影响和帮助，母亲更多是潜移默化提醒自己要做一个踏实做事的人，而父亲除了让他知道一个男人的责任感外，还在学习方法上给他启发。
杨父虽然只有初中文化，但是他从小学起就注意培养孩子的思维方式，教儿子搞懂题目里的逻辑关系，尽管他也不一定知道具体怎么解题。这种训练奠定了杨欢的数理基础，这种解题思维让杨欢在今后的学习和生活中一直受益良多。
经过自己的努力和老师的帮助，最终杨欢考入了自己钟爱的中国科学技术大学物理学院。
潘建伟院士的报告让他确定了自己的方向
中科大坐落在安徽省合肥市，坊间曾经流传：只有中科大才能放得下一张安静的书桌。
多年学习和生活在中科大的杨欢对于自己的母校有很深的感情，合肥毕竟不是北京、上海这样的大都市，加上科大素来的氛围，所以这里仍然是国内最好的能静心读书的地方。
到了大三大四，同学们大都在申请出国留学，杨欢回忆：“当时中科大毕业生的出国深造比例大于50%，我们宿舍4人中有3人出国，只有我留下来当土博士，其实我也曾有出国的想法，毕竟出国能够接触更多人和事物，开拓自己的眼界。但是一方面由于学习成绩中等，很难申请到非常好的学校，另一方面觉得国内机会也很多，也能完成科研工作。”
在出国还是不出国犹豫当口，还是大三学生的杨欢听了潘建伟院士的一次报告后确定了自己的方向。
潘建伟院士在报告中介绍了量子物理的神奇世界，并介绍了当时在国内开始搭建的量子通信、量子存储和超冷原子量子实验平台，希望有志向的中科大学子能够加入到研究团队中，贡献自己的力量。正是这个报告让杨欢决定留下保研。
大四时杨欢就加入了潘老师的团队，刚开始进入了合肥的超冷原子量子模拟实验室，边读书边参与课题，当时带他的导师是苑震生教授。
接触物理从参与实验室装修起步
杨欢说他当时很理想化，认为进实验室就能马上接触物理实验。但没想到这个实验室是从零开始，从装修开始，所有关键设备都得靠自己搭建。杨欢承担的是负责平台空气洁净过滤系统的搭建。
参与实验室搭建的过程让杨欢意识到做科研需要一步步往前推进，实验室里的每个部件都很重要，都是在让你逼近最终的实验结果。
大四结束时，潘老师在上海的超冷原子分子实验室开始搭建。杨欢被安排到由赵博教授负责的超冷分子量子模拟实验室。也是从那时起杨欢就开始上海、合肥两地跑。
上海实验室就在浦东秀浦路的这幢楼内。超冷分子实验平台非常复杂，在赵博老师和芮俊博士的带领下，他们于2012年开始筹建实验室，2013年正式开始搭建，到了2015年1月实现钠原子玻色爱因斯坦凝聚（BEC）。2017年成功制备了超低温的钠钾基态分子。
从量子层面探究分子原子的碰撞行为
杨欢具体从事的研究课题，包括正在进行的启明星课题，是探究超低温下钠钾分子和钾原子的碰撞性质。
钠钾分子和钾原子的碰撞过程非常复杂，其相互作用的势能面涉及求解3个原子核和49个电子的薛定谔方程，理论计算极其困难。
赵老师带领课题组就想从最根本的层面探究分子原子碰撞的量子行为，希望有助于理解分子间碰撞、反应的机制和机理。
在申请启明星课题之前，杨欢就在观察钠钾分子和钾原子碰撞的共振现象，而启明星课题主要是沿着这个方向，利用观测到的现象再去深入挖掘相互作用的势能面相关信息。
杨欢以上的介绍中出现了不少专业术语，笔者让杨欢尽可能“非专业”化地科普一下量子模拟及其研究价值。
杨欢说，作为量子科学重要分支之一的量子模拟，是为了在某些特定问题上解决现有经典计算机无法解决的物理问题。它主要利用高度可控的量子系统来模拟难以计算的物理系统，通过对复杂体系进行细致和全方位的研究，从而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。
杨欢认为量子模拟具有真正意义上的基础科学属性，它可以验证和探索量子力学物理规律，对于我们认识量子物理世界具有重要意义，这也是潘老师在一开始布局量子科学研究方向时，就对量子模拟非常重视的原因。
在杨欢眼中，潘老师不仅有前瞻的科学视野，而且在生活上也很关心上海研究院的员工，为他们解决生活中的具体困难，鼓励年轻人追求卓越。
赵博老师把我领进超冷分子之门
杨欢要感谢的另一位是赵博老师。他说，赵老师的物理直觉极为敏锐，在实验室观测到的一些无法解释的现象，他看到后就能敏锐地抓住关键点，弄清背后的理论机制。
赵老师强调做实验一要细致，二要敏锐，对细节现象不要放过，背后很可能隐藏着有趣的科学问题。
杨欢举了一个例子：在将钠钾弱束缚分子绝热相干转移至基态分子过程中，他们遇到了基态分子数目振荡的实验现象。通过细致测量和大胆猜测，最终证实是共振与失谐绝热相干转移过程发生量子干涉导致的。赵老师在课题组观测到这一信号时以其敏锐的物理直觉抓住这一现象不放，直到找出背后的机制。
在潘老师和赵老师的带领，以及团队成员的共同努力下，杨欢和他的同事首次成功观测到超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振，该研究成果得到了《科学》审稿人的高度评价：
这是一个非常重要和令人振奋的工作，虽然超冷分子已经制备出来，却从没有报道过分子散射共振被；当前超冷化学研究的主要困难在于势能面短程部分的信息无法从以往的实验中获取，这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则；这一工作是当前原子分子物理研究的亮点，具有非常重要的意义。
如果从大四参与实验工作算起，杨欢从事超冷原子分子物理实验研究已9年有余。迄今为止，他的学术成果包括观测超低温度下可控态的化学反应，超低温度下分子和原子碰撞的散射共振等。所参与的实验工作发表于《科学》《自然-物理学》等杂志上。2020年，31岁的杨欢获聘中科大特任副研究员，并入选上海科技启明星计划。
兴趣和责任是我能坚持下来的原因
尽管访问中我们一再试图能对杨欢从事的量子模拟研究究竟是什么做一点通俗阐释，却还是未能如愿。但这也激起我们的好奇，是什么样的力量与信念支持杨欢能数年如一日，每周6天、每天十几小时潜心于一个如此纯粹基础研究的艰深课题？
杨欢想了想这样回复了笔者的书面问题：
“首先还是兴趣。想象一下自然界中的原子分子，我们可以通过手段把它们冷却俘获下来，并且操控其状态，本身就是非常有趣的事情，尤其是我们的实验用到两种碱金属原子钠和钾，在以前的认知中钠钾碱金属怎么会合成分子呢？但在实验中我们根据它们的相互作用合成了分子。
其次，我们的科研工作完全是探索未知，实验处于领先理论的阶段，这个非常有意思，我们的一小步，在未来都可能产生不同的认知。看到自己的工作能够被同行认可，推动相关理论的发展，本身也很有成就感。
再次，我觉得是责任。实验平台是我们几个人一手搭起来的，花的经费也不少。我记得我刚毕业，有想过出去工作，但是当时芮师兄刚出国深造，实验室也没有新人，实验缺少人手，老师希望我能够留下来，最终我还是选择继续在实验室。这里毕竟是我们的心血凝聚和奋斗过的地方。”
中国的量子科学研究正在大踏步向前跃进，在未来岁月里，量子通信、量子计算和量子模拟以及精密测量等方向的重要进展会更多出现，因为参与者中有许多像杨欢这样的受过很好的科学训练，又静得下心来做探索性研究的年轻人。这是中国量子科学的希望所在。希望这篇启明星访问能为日后中国量子科学取得更多更大成绩留下一个注脚。
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