方忠院士：從事基礎研究并不枯燥，而是享受

“您從事基礎研究多年，會感到枯燥嗎？”面對這一問題，中國科學院院士、中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）所長方忠的回答從未變過：“不枯燥，可能身體上會覺得勞累，但精神上非常享受。”

今年6月，方忠等人完成的“拓撲電子材料計算預測”獲得國家自然科學獎一等獎。11月19日，在北京市科技大會暨科學技術獎勵大會上，方忠獲得北京市突出貢獻中關村獎。

“獲獎是對我們工作的認可，也是對純理論基礎研究的認可。”在接受《中國科學報》采訪時，方忠表示，如果認識不到科學之美，肯定會覺得基礎研究枯燥乏味，只有懂得欣賞美，才知道研究的方向在哪里。

顛覆對物質狀態的理解

物理學界有一個主流觀點——所有物質的狀態都可以用對稱性來描述。

蘇聯物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者列夫·達維多維奇·朗道將凝聚態物理中的相變，如冰變水、水變水蒸氣，與物質結構中對稱性的變化聯系在一起。他把從高對稱到低對稱的過程叫作“對稱破缺”，該理論也被稱為對稱性破缺理論。

遺憾的是，對稱性破缺理論并不完備。

20世紀80年代，科研人員在理論上發現了新量子物態，該物態并不能為對稱性破缺理論所描述。這一類新量子物態被稱為拓撲物態。

方忠介紹，拓撲是一個數學概念，用于研究幾何物體在連續形變下不變的性質，隨后被引入物理學中，描述材料中電子分布的狀態。“拓撲的研究興起于幾十年前，其顛覆了我們原來對物質狀態的理解。”

在2016年諾貝爾物理學獎的頒獎現場，評獎委員會成員拿出一袋面包來解釋拓撲——沒有洞的肉桂面包、一個洞的面包圈、兩個洞的椒鹽蝴蝶卷，雖然這幾種面包結構完全不一樣，但無論如何彎曲、擠壓面包，都無法改變面包的孔洞數量，除非動手撕開。

這些年來，研究人員逐步認識到物質世界應該包含兩大類，一類是傳統的對稱性物態，一類是全新的拓撲物態。

“拓撲物態是對物質狀態認知的拓展，也是一項純基礎研究。”方忠介紹，目前發現的拓撲材料有許多種，如拓撲絕緣體材料，其奇妙之處是體內不導電、邊界導電，導電性不受外界破壞而改變，未來可用于制造先進電子器件。

除了與眾不同的導電性能，拓撲材料還可以實現零電阻，這為未來的應用提供了豐富的想象空間。不過，方忠表示，拓撲材料距離真正的應用還很遠。

“由中國科學家主導”

“拓撲電子材料計算預測”的研究可以追溯到20年前。2003年，方忠加入物理所成立計算物理學研究組，聚焦研究凝聚態理論和計算物理學，特別是自旋-軌道物理和拓撲物理學。

隨后，方忠團隊先后發表了5篇代表性論文，最近一篇于2015年發表在《物理評論X》，并入選美國物理學會Physical Review系列期刊125周年紀念文集。該文集精選了125年來的49項重要工作，而方忠團隊發表的論文是文集中唯一出自中國的科研工作。

經常有學生問：“方老師，我是不是來晚了？物理學研究是不是已經做得差不多，我沒什么可做的了？”方忠回答：“你們來得正是時候，我們現在的物理只研究了一半，另外一半才剛剛開始研究。這一半就是拓撲物理學。”

近年來，方忠帶領團隊研究了4萬多種無機材料，并從中發現8000多種拓撲材料。由此推測，這類材料不在少數，目前發現的只是已知材料體系中很少的一部分。

“拓撲物態的研究剛剛開啟，還有很多未知有待進一步探索。”方忠說，“將來，我們還要構建拓撲物理學，需要完成很多基礎研究工作，希望這件事由中國科學家主導。”

“優秀科學家要具備‘美食家的味覺’”

方忠認為，科學研究是幸福的，是一個讓人陶醉其中的過程。但在外人看來，這一過程可能會很辛苦、很枯燥。

“一個優秀科學家需要具備‘美食家的味覺’，能夠‘品嘗’出哪項工作是先進的。”方忠說，科學家只有不斷提高判斷力，才能產出更多原創性成果。

甘坐冷板凳、十年磨一劍。方忠認為，科學研究需要不斷探索、努力思考，一步一個腳印向前走，取得成果的過程是艱難的，但也是幸福的。

方忠指出，這一探索過程中，除了需要思考，還要持續做重復工作，如查文獻、做實驗、交流及討論，有時也會陷入一籌莫展的境地，但撥開迷霧走出來后，將會迎來驚喜、收獲進步。遺憾的是，最后往往只有很少一部分人才能成功“上岸”。

基礎研究要想產生重量級成果，不僅需要長期堅持，還需要有先進的研究平臺。2017年9月，由物理所主導建設的綜合極端條件實驗裝置工程（北京部分）在北京市懷柔科學城開工。該裝置旨在提供國際先進的極低溫、強磁場、超高壓、超快光場等綜合極端實驗條件，拓展物質科學研究空間，促進新物態、新現象、新規律的發現。目前，該裝置已全面運行，并向全球用戶開放申請。

方忠表示，基礎研究要向前發展，離不開科研人員的努力、國家政策的支持和科研生態的建設。國家自然科學獎一等獎曾若干次空缺，說明基礎研究的突破難度很大，需要漫長的時間來積累技術，也需要全社會的支持。