杨晓菲:激光核谱学领域的新锐科学家

提起核物理学,可能你并不陌生,核安全、核电站这些字眼立即出现在你的脑海。再问你见过核物理科学家吗?也许你会摇头,觉得他们离我们普通人很远很远。今天,记者就带你见识一位既年轻知性又成绩卓然的女核物理科学家。

近日,国际纯粹与应用物理联合会正式公布了2019年度核物理领域青年科学家奖获奖者名单,北京大学物理学院和核物理与核技术国家重点实验室杨晓菲研究员入选,以表彰她在高精度激光核谱技术以及不稳定原子核基本性质和结构研究方面的杰出贡献。该奖项在国际上享有盛誉,在每个二级学科领域平均每年评选一人,在每三年一次的国际核物理大会(INPC)上颁奖。杨晓菲也成为首位获此奖项的在中国工作的核物理学者。

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杨晓菲

遵从内心的选择

从社会的刻板印象来说,你很难将一位文静的姑娘与核物理联系起来,而杨晓菲自从2009年本科毕业于兰州大学原子核物理专业以来,一直在核物理这个领域学习、研究,并且在国际前沿的激光核谱学方面取得了一系列有重要影响的研究成果。

说起为什么选择这个专业,杨晓菲的回答很简单,她说,其实都是跟随内心、顺其自然。她中学一直对物理感兴趣,成绩也特别好,觉得原子核物理这个专业很酷,上大学就选择了这个专业。她介绍说,原子核物理学是物理学的一个分支,研究原子核的结构和变化规律,通过粒子束的作用与射线的探测分析,探索未知。同时核物理在核能、核技术的诸多方面有广泛的应用,影响着人类的生存与发展。“其实,现在可以实际应用到的核物理基本知识,大体是50年前就有的,比如用于核能源、核医学等领域,都是基于对天然存在的300来种稳定和长寿命核素的认知。而我们现在实验室的研究是对大量未知的新现象、新规律的探索,这种无眼前功利目的的基础研究,引领着人类的进步,充满了技术和智慧挑战的魅力,长远看来对社会的影响更大。比如,上世纪七八十年代以来,由于新现象的偶然发现和加速器技术的进步,我们开始可以在实验室产生大量的放射性核素,这些核素在自然界是不存在的。近30来年,放射性核素物理研究进入一个比较活跃的时期。目前人们已经能够产生和运用3000多种放射性核素。通过对这3000多种放射性核素的研究,我们发现原子核其实有很多性质和结构上的变化。”杨晓菲说,她自己从事的就是这种探索未知的工作,与大家日常想象的可能不太一样。

本科毕业后,杨晓菲来到北京大学物理学院攻读博士学位,进行放射性核素物理实验研究。“我选择实验核物理,是因为我不爱‘单打独斗’——实验核物理需要实际操作各种类型的仪器设备、做复杂的数据处理与物理模型分析等,是多种能力的结合,特别需要团队合作,这正是我很喜欢的工作方式。”

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杨晓菲和同事在做实验

博士生期间,杨晓菲被推荐去日本理化学研究所联合培养。2011—2014年3年间,她和合作组在那里建成了独特的用于弹核破碎(PF)型放射性束装置的激光核谱设备,并完成了首次物理实验。“刚去日本时,我对激光谱这个领域一窍不通,因为我以前是在北大核反应组工作。理化所的老师、同事耐心地一步步把我‘领进门’,并放手让我去做这项没有先例的工作。在不断学习、探索和解决问题的过程中,我也摸索出一些新的想法,运用到对整个装置的改进、测试等。这个设备成功的关键是将原子物理技术与加速器束流技术相结合,在其中我发挥了比较关键的作用。最后,整个团队通力协作,完成了设备的在线实验。”

谈起其间遇到的困难,杨晓菲说“多了去了”。“离线搭建的设备需要做大量的测试,很多时候周末或者大半夜一个人在实验室工作,浑然不觉时间的流逝,熬通宵一点不稀奇。”“而且我们的在线实验依靠加速器提供的束流。使用加速器需要提前申请、答辩并得到批准。实验之前的准备通常历时数月甚至一年。”杨晓菲提到,此项设备的首轮物理实验一共做了3次。他们的第一次实验安排在2月,直到中国的春节那天她还在实验室忙碌,可是没想到最后时刻,束流快来的时候,他们的装置坏了,虽然实验室所有人员全力补救还是无功而返,只好取消实验。那时已是凌晨两三点钟。下一次使用加速器束流已经是一年后了。这对于准备了大半年的她来说真是个不小的挫折。但不论挫折多大,杨晓菲都会选择坚持,她说,遵从内心,因为喜欢所以坚守;回头体会,挑战和挫折也是一种人生的享受。

学成回国是自然的决定

2014年博士毕业后,杨晓菲到比利时鲁汶大学和欧洲核子中心从事博士后研究,为国际领先的激光核谱技术的持续发展作出了重要贡献,并取得一系列有重要影响的研究成果。

这段欧洲工作的经历中还有一个小插曲。前面提到,使用加速器的实验可能一年才能做一次,而杨晓菲的第一次实验因装置突然出故障而被迫取消,导致她后来的论文发表比较晚。这对于取得博士后位置是很不利的。“但是,鲁汶大学的合作导师很快就给了我一个录取函,因为他们特别看中的是我的实验室经历和掌握的新兴技术。”杨晓菲说,这也许就是国内外的评价标准不同。在国内似乎更侧重数论文、算项目经费等,因此外行也容易作出评判;而欧美研究机构可能更看中你的实际能力或者说发展潜力,当然这是只有依靠内行才能评判的。

欧洲核子中心在线同位素分离装置(ISOLDE)是国际上最早利用激光谱来研究核性质的研究机构之一,近二三十年在相关领域独领风骚。第一年杨晓菲在ISOLDE和鲁汶大学同时进行她的研究工作,第二年她开始作为ISOLDE所在地的两三个骨干之一进行新技术的建设和升级优化工作。“2014—2017年的3年间,我们不断地探索和实验,一步步在新装置上实现了激光谱测量高分辨率和高效率的结合。”整个过程涉及到激光和离子操控的很多关键技术,杨晓菲在其中作出了很大贡献。以此为基础,她也开展了丰中子双幻核镍-78(78Ni)附近原子核新奇结构的物理研究。

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2016年9月某天的凌晨5点,杨晓菲(后排左一)与同事在ISOLDE数据获取和控制室

杨晓菲坦言,装置建设的整个过程对她能力的提升起到了很大的促进作用。“实验的准备和统筹等工作,主要是我们当地两三个骨干在负责。而且我们不仅是同装置打交道,还要参与和支撑整个国际合作组的实验工作,与各种各样的人打交道。在ISOLDE有来自几十个国家的科研工作者,对语言、沟通交流、协调组织等综合能力的提高以及知识面的扩大都非常有帮助。”

尽管国外的实验条件以及核物理基础研究总体上优于国内,杨晓菲却于2017年底欣然选择入职北京大学实验核物理团队,并入选国家青年海外高层次人才引进计划。针对我国下一代核物理大科学装置的建设目标,她正在逐步创建激光核谱实验室,同时带领课题组在激光核谱方面开展系列物理实验研究。对于回国这个选择,杨晓菲说这是一个很自然的决定。“就是希望为自己的国家,也是在迅速发展和充满希望的地方作出自己的一份贡献。”

“我国的核物理基础研究起步比国外晚了几十年,但是我们也一直在稳步快速发展。最近一些年来,我们在某些方向上也已经可以做到与国外比肩甚至领先,比如原子核质量测量、某些核反应测量等。”但是在杨晓菲所在的激光核谱学领域,国内的发展目前还比较欠缺。“国内也希望进入这个领域,需要发展相关技术和队伍。”杨晓菲说,她已经和国内多家单位,比如中国原子能研究院、中国科学院近代物理研究所、兰州大学等建立了密切的合作关系,共同为中国下一代核物理大科学装置的建设目标而努力。当然,这同时也需要得到各方面的鼓励和支持。“前面说过,我们现在的放射性核版图才3000多个核,而理论预言有一万多个,所以需要发展一代又一代的大科学装置去扩大这个版图,探索未知的核物质奥秘。”

激情投入教学工作

回到北大一年多以来,杨晓菲不但指导着3个博士研究生,还独立主讲一门国家精品课程、本科生基础课“核物理与粒子物理导论”,并与其他老师一起新开设了一门给研究生提供专业基础知识的课程“核反应与衰变”。

因为是刚开始授课,杨晓菲说她经常要为两小时的课准备几天时间,为教学投入了很大的激情。“上课不但让我总结并展现自己已有的知识,而且为了结合国际上的前沿研究,我还要不断扩展自己的知识。”持续的学习加上学生的反馈,也启发了她的思维,杨晓菲认为教学和科研是相互促进的。

谈起现在的北大学生与她当年读本科时的不同,杨晓菲说,自己当年的课程都是被安排好的,自由选择的余地很小,而且70人左右的大班上课,学生与老师几乎难以互动。如今,北大物理学院的课程已经从“桌餐”变成了“自助餐”,课程增加了很多,学生可以根据自己的兴趣来选择上哪门课。以她主讲的“核物理与粒子物理导论”为例,全班30人左右,她可以与学生进行很好的互动。按照近些年来形成的交互式授课模式,她会留给学生一些思考题,让学生自己去查阅文献,然后在课堂上讨论。这些题没有标准答案,学生可以独立思考并相互交流启发,“不是为寻求答案,而是寻求思考和发现新的问题”。“我本科时学了很多基础知识,但是不知道怎么用,现在我可以结合自己的科研以及前沿进展和学生交流,让他们明白某些课堂知识点可以用到实际研究的某些方面。”

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2017年7月,杨晓菲在法国肖蒙城堡留影

但是,杨晓菲也认为,现在新课开得很多,有些是互相重叠的,知识的系统性不如从前,容易造成学生学到的知识碎片化和学习效益降低。也许是因为学校太过强调对新体制教师教学的量化要求,大家为了完成一定学时或学分的要求,就去开很多的课。“我们科研压力很大,面临着几年后的评估。教学也许更需要保证质量,真正把课讲好是需要投入大量精力的,不是简单靠增加课时学分。”顿了顿,杨晓菲又说:“其实我还是挺喜欢教学的。学生好的反馈对我也是激励。”

对于研究生的培养,杨晓菲也谈到自己的要求。最重要的是潜心做事,不要算计太多才能收获多多。而且要能吃苦耐劳,“对于我们做实验的人,熬夜加班很正常。而一个真正有兴趣的人,是不怕吃苦的”。还有团队合作也至关重要,“我们的实验不是一个人在做,大家有一个共同的目标,所以很多时候对个人得失不能计较得太多”。杨晓菲也特别希望学生要善于跟人交流,不但跟自己组内的人交流,还要跟组外的人交流,跟国外的人交流。她也非常鼓励并支持学生到国外去做实验,既能锻炼语言能力又能刺激思维。

受传统观念和社会认知的影响,女性科研工作者人数相对较少,特别是在核物理这样的领域,男女比例更为悬殊,杨晓菲在自己的求学和研究中是否遇到过更多的阻力或者困难呢?对于记者提出的这个问题,杨晓菲说,外界总是会有干扰的,每个人有每个人的想法,但是你不要去想这么多,只管做自己喜欢的事情,“对自己喜欢的事情我有足够的激情,并且努力地去工作”。而努力工作的人也会得到别人的理解和支持,这就是所谓天道酬勤吧。“别人怎么看你不重要,主要还是看你自己做得怎么样,你自己怎么看待自己更重要。”杨晓菲因她出色的工作多次受邀在大型国际学术会议上作大会报告。今年她已被邀请在每三年一次的国际核物理大会(INPC2019)上作大会特邀报告,这对任何一位核物理工作者都是很大的肯定和荣誉。

像杨晓菲这样的女性,因自己的刻苦努力和自信,同样可以在科研领域绽放光彩。


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