翁红明：那个参与发现外尔费米子的年轻学者
（只要用他的大脑与计算软件算一下），就已经知道自己该何去何从。
当蝌蚪君在中国科学院物理研究所见到翁红明的时候，他依然是很忙碌，在访谈的过程中不断有研究人员上来与他交谈，蝌蚪君知道，这就是那些能做出国际影响力研究工作的学者们的日常生活。
我是江苏人
翁红明告诉蝌蚪君，他的故乡在江苏泰兴，那是一个人杰地灵的地方，著名地质学家丁文江也是泰兴人。翁红明出生于一个普通的人家，他的父母都是农民，他还有一个姐姐。
泰兴农村实景
1996年，农家子弟翁红明从泰兴来到了省会城市南京，开始了他的大学生涯。他在南京大学物理系读书，南京大学的物理系在凝聚态物理领域有很深的造诣，翁红明也就在这一领域进行相关知识的学习与研究，他在南京大学度过了9年的青春时光，一直到博士毕业。
翁红明从南京大学毕业以后，去了日本的东北大学金属材料研究所做博士后研究，他主要研究各种材料的导电性质。一般来说，材料可以分为导体，半导体与绝缘体，翁红明则是探究这些材料导电规律背后的物理机制。
蝌蚪君：“刚到日本的时候，你会说日语吗？”
翁红明：“不会，我们在研究所主要说英语，出去超市买东西的话，一般用英语加汉字。”
蝌蚪君：“那你在日本呆了很多年，后来能听懂日语了吧？”
翁红明：“能听懂一些，大概能知道什么表示肯定，什么表示否定……当时我们的研究所在大学里，有一些大学生来研究所给我们普及日语，我学了一些。汉字在日语中占了很大比重，所以即使不会说，也能大致看懂。”
固体为什么会导电
一般来说，气体是不会导电的，除非这个气体被电离了，电离后的气体可以被认为是等离子体，里面有了可以自由移动的电荷，这就可以导电了。一般的液体能够导电，也是因为液体之中有一些金属离子，比如自来水可以导电，就是因为自来水中有一些钠离子与钙离子，它们能够在水中自由移动，形成电流。而一些象金银铜铁的固体能导电，也是因为这些固体中含有可自由移动的电子。
这些自由移动的电子则是翁红明主要研究的物理对象。
而固体一般分为晶体与非晶体，翁红明主要研究的是晶体。晶体一般具有固定的有规则的外形与熔点，其内部的原子排列也是非常有规律的，每一个基本单元被称为晶胞。
晶体内的原子排列示意图
晶体中的电子：不断重复的一个循环
自由移动的电子可以被看成是一只蚂蚁，在导体中运动的时候，导体就好像是一个自行车的链条，具有重复的结构（每一节链条就是一个晶胞），所以这个蚂蚁沿着自行车链条在爬行，它也会感受到链条的这种重复的周期性结构。这种周期性的结构会带来很奇特的结果，那就是电子的能量会存在一个能带结构，同时这种周而复始的结构还容易使得电子感觉到自己一直在不断地回到原来的出发点。
翁红明：“电子在运动的过程中不断地重复这个循环，可以看作是在一个封闭的势能空间上作周期性运动，这就好像是我们在地球的上走出一个封闭的曲线。因为我们描述电子的方法是用量子力学中的波函数，因此前面提到的电子绕这个封闭曲线转一圈在量子的世界里对应一种叫做berry相位的东西。”
蝌蚪君：“是的，berry相位说的是电子在一个能量缓慢变化里的系统中，在绝热近似下运动，在态空间中走出一个封闭曲线，回到原点的时候，会多出来一个额外的相位差。”
翁红明：“是的，就是这个意思，电子在晶体中运动也会有这个相位差。”
蝌蚪君：“这个相位差有什么物理意义？”
翁红明：“其实我们日常生活中就可以看到相位差的应用。大家熟知的照相机镜头上的増透膜，就是通过控制入射光和发射光的相位差，来增加透光性的。电子在晶体中运动的相位差也是可以调控的，可以对电子表现出来的性质产生影响。”
翁红明是站在电子的角度上来观察晶体世界的，这种视角是非常有趣的，获得过诺贝尔奖的著名的物理学家菲利普·沃伦·安德森曾经说过：“在固体物理研究中想要取得成功的秘诀很简单，就是你要把自己想像成一个电子，然后再考虑自己该如何运动。”
拓扑材料的特性
翁红明告诉蝌蚪君，他目前主要研究拓扑材料。拓扑材料的特性是这种材料内部电子周期性运动产生的相位差会决定材料表面的性质。这种相位差是电子在晶体中整体运动状态的描述，类似于微分几何里描述封闭曲面的拓扑概念，因此称之为拓扑材料。
翁红明：“在拓扑材料中，有一个说法，叫做bulk-boundary 对应。也就是说材料体内部与边界存在一个对应关系。”
蝌蚪君：“在一般的物理系统中，比如解电场的拉普拉斯方程，内部电场也是由边界条件决定的。”
翁红明：“我不是这个意思，拉普拉斯方程的这种对应是局部的，也就是说，边界变了，内部电场也会变。拓扑材料不是这样的，它具有整体性。我给你举个例子，比如一块铁，它是金属，是导电的，你把它切开，它的边界依然是导电的。一块磁铁，你把它切开，它的边界上还是有南极与北极。因此，铁块与磁铁都不是拓扑材料。”
蝌蚪君：“那什么是拓扑材料？”
翁红明：“比如拓扑绝缘体，它体内是绝缘的，但你把它切开，它的边界上会出现导电性，这就与前面我说的2个例子是不同的。更重要的是，这种边界态由母体内电子的整体运动状态决定，且只能在比它更高维度的母体边界上存在，在与边界相同维度的体系里不存在。”
翁红明在办公室（张轩中/摄）
倒空间中的磁单极子对应的物理是什么
翁红明还给蝌蚪君解释了最近比较火热的外尔费米子的一些物理特性，他通过自己参与编写的软件计算预测出在一些材料中会出现外尔费米子，整个研究小组取得了非常重要的进展。对于这一部分已经有很多相关报道，蝌蚪君就这项研究中关键的物理问题进行了简单的访谈。
蝌蚪君：“外尔费米子的研究中，你上次在北京大学做演讲，我看你提到了倒空间中的磁单极子，这个磁单极子在实空间对应的是什么？”
翁红明陷入了思考，最后他说：“它没有实空间对应。这个磁单极实际上是电子在晶格动量空间里所处的一个特殊运动状态。在这一点，电子处在能量相等的两个量子态上，波函数是这两个态的任意叠加。就像在地球的极点，任意方向都是南或北。这种电子运动状态可以用外尔方程来描述，所以我们称这个为外尔费米子态，具有这样的量子态的晶体就是外尔半金属。”
蝌蚪君：“你考虑倒空间中的磁单极子对电子波函数的影响？”
翁红明：“是的，这点其实与量子力学中的AB效应是类似的，电子绕着它转一圈，波函数会产生相应的相位变化，这个相位由电子转圈的路径在磁单极点处所张的立体角决定，是几何的，跟具体运动细节无关。”
发现外尔费米子的中国团队（图片来自新华网）
外尔费米子可以让手机一年只充电一次吗
翁红明是参与外尔费米子发现的研究人员之一，而且他起到了很重要的理论预言的作用。因此，蝌蚪君抓在这个机会向他咨询了一个外尔费米子的应用问题。
蝌蚪君：“外尔费米子的材料已经找到了，这个材料在工作的时候是不需要低温的吧。”
翁红明：“外尔费米子是费米面上特殊的电子运动状态，温度对费米面和电子运动的影响不是很大，因此一般情况下不需要低温。”
蝌蚪君：“你们现在能做到的这种能产生外尔费米子的晶体做大有多大？”
翁红明：“这个晶体目前不能长得非常大。去年参加中央电视台科技盛典的颁奖，我们把这个晶体做成钻戒上的钻石那样大，作为一个纪念品。”
利用外尔费米子可以大大减少电流在导线之中流动时候的损耗
翁红明：“利用外尔费米子可以大大减少电流在导线之中流动时候的损耗，这个特性可以期望用来做低能耗、高主频的电子器件。但手机的耗电更多是集中在显示屏与存储，这些耗电其实是不能改变的。所以，我只能说外尔费米子能在电荷传输环节降低消耗，延长待机时间。一年一充是有些夸张，但也是对新科学发现可能带来变革性新应用的一种美好愿望吧。”
蝌蚪君：“有点类似于超导体。”
翁红明：“是的。”
蝌蚪君对翁红明老师的专访持续了1个多小时，翁老师是一个非常憨厚的学者，一直保留着农家子弟特有的淳朴与宽容，他对蝌蚪君的问题都做了客观严谨的回答。外尔半金属中外尔费米子是最近中国物理学家发现的具有国际影响力的准粒子，而翁红明老师在其中的突出贡献也应该被国人所铭记——这个领域非常艰深，但作为一个研究者，翁红明依然在马不停蹄地继续研究着，他本人就好像是一个在晶体中的电子，（只要用他的大脑与计算软件算一下），就已经知道自己该何去何从。
本文转载自《蝌蚪五线谱》
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