福爾曼：與原子對話的人

以色列本古里安大學納米尺度系統實驗室羅恩·福爾曼教授。

　　 “如果用一句話來概括我們的工作，就是與原子對話。”這是以色列本古里安大學納米尺度系統實驗室原子芯片組羅恩·福爾曼教授在接受科技日報記者采訪時，對他領導的科研小組所做工作的概述。

　　 福爾曼教授現在是炙手可熱的原子芯片研究領域的國際領軍人物，這位喜歡在地中海暢游的籃球高手，從2003年白手起家，在以色列著名學府本古里安大學建立起自己卓越的實驗室，帶領一個由以色列人、美國人、德國人和中國人等組成的科研團隊，在微觀粒子世界展開探索。基于其豐富的高能物理研究經歷、一流的學術造詣和超前的學術眼光，該實驗室聲名鵲起，無論基礎研究還是原子芯片加工都取得了快速發展。他本人也因在發展原子芯片以及將材料科學應用到原子光學方面先驅性的貢獻，于2011年獲得了國際激光和量子光學領域的大獎——蘭姆獎。

　　 要讀懂福爾曼教授的簡歷絕非易事，這位曾在歐洲核子研究中心追逐了多年上帝粒子、后來卻一頭扎入量子世界的科學家，研究領域涉及到基本粒子物理、原子物理、量子相干性、光與物質相互作用、材料科學與原子芯片的設計與制作技術等，看他發表的論文和專著的題目，就如同在梳理現代量子物理學的發展之路。懷著敬仰和好奇的心情，記者日前專訪了這位整日與原子打交道的福爾曼教授。

　　 抓住原子開始對話

　　 “每天我和我的學生來到實驗室，打開儀器設備，走進原子的世界，開始與它們的對話。”福爾曼教授這樣描述他們研究組尋常一天的開始。在他實驗室工作的來自中國的博士后周蜀渝，在記者面前熟練地啟動各種電子設備，鎖定激光頻率，運行自動控制程序，幾分鐘后電腦屏幕上的原子云圖像截面上出現了迥異于正常分布的突起曲線，“這就是玻色—愛因斯坦凝聚體，這次實現凝聚的原子數應該有幾千個。”福爾曼說，“抓住了原子，我們就可以和它對話，向它請教。”

　　 玻色—愛因斯坦凝聚態是物質的第五態，有很多奇特的性質，如原子動量幾乎為零，并表現出類似激光的高度相干性等，這為科學家設計精確度更高的原子鐘、制造更精確的重力測試儀、實現量子信息儲存等量子信息處理過程及開發量子計算機打開了大門。

　　 原子芯片讓對話更加精彩

　　 現代物理學家將原子光學元器件集成到一塊芯片上，利用這種芯片來完成超冷原子的制備、探測和操縱，稱之為原子芯片。它把量子光學、物質波光學的理論和成熟的微制造技術聯系在一起，大大簡化了實驗裝置，可以提供更緊的束縛和更小的磁阱尺寸，還可以對“囚禁”的原子團進行復雜且精確的操縱，甚至可以控制原子之間的相互作用，這些特點讓人類與原子的對話更加精彩。

　　 福爾曼是最早的原子芯片理論的研究者和實踐者之一。他曾在奧地利因斯布魯克大學實驗組做博士后，該實驗組第一次實現了利用芯片上刻蝕的導線產生的磁場對原子的磁束縛和導引。作為實驗成果論文的第一作者，福爾曼第一次在實驗中演示了原子芯片對原子的靈活操縱，展示了從原子光學到量子信息等領域的應用潛力。

　　 福爾曼說，他于2003年在本古里安大學從零開始建起原子芯片實驗室。2008年，他和德國海德堡大學合作完成了一項更具前瞻性的工作。他們將超冷原子云移到芯片表面附近，通過觀察原子云的密度分布，重構出磁場以及導線中的電流分布。這篇發表在《科學》雜志上的文章演示了“物質波顯微鏡”可能用于研究固體物理的某些問題，是冷原子物理和材料科學交叉的一個里程碑。

　　 原子芯片敲開量子理論研究大門

　　 原子干涉儀，又叫物質波干涉儀，是目前原子芯片的一個重要研究方向。福爾曼在這一領域建樹頗多。他與人合作或者作為領導，在理論上提出了多模波導型物質波干涉儀和利用時間反演對稱性構造非相干物質波源的波導型陀螺儀。在實驗方面，他們實現了原子芯片上基于“斯特恩—蓋拉赫”效應進行相干分束的物質波干涉。這個實驗不但為如何實現大動量差的原子相干分束提供了一種方案，而且其背后隱含的各種物理解讀也令人深思。

　　 迎接原子設備微型化的革命

　　 福爾曼說自己曾在10歲左右時裝配了一臺晶體管收音機。“要是現在，這樣大的體積能容納數百萬個晶體管，因為20多年前，人們發明了大規模集成電路和芯片。”他說，“在微型化領域已經發生了兩次革命，第一次是電子設備微型化革命，第二次是光子設備微型化革命，現在我們要參與第三次革命，這一次的主角是原子和量子粒子。”與納米技術緊密相連的量子技術革命，將材料科學的進步和量子世界連接起來，給原子設備微型化革命帶來了希望。

　　 談到自己的實驗室為何技高一籌，吸引了來自世界各地著名研究機構的大量合作時，福爾曼說，現在世界上芯片制造技術相當成熟，但絕大多數都是在上世紀末建成并以半導體物理理論為基礎，而他的實驗室是世界上第一個完全以量子物理理論為指導建立的，“兩者有著根本的不同，如果用一句話來解釋，就是材料工程與量子物理結合的產物。”

　　 希望有個全由中國學生組成的團隊

　　 福爾曼可能已擁有了以色列單個科研實驗室最大的中國團隊，有3個來自中國的博士后目前在他的實驗室工作。“我不介意我有一個全部是中國學生的實驗室，我要學習中文，我每年都要訪問中國。”說到中國和他的中國學生，福爾曼顯得很興奮，“我那時會在實驗室插上中國國旗，讓我這里變成中以友好的民間大使館。”

　　 談及他最新的科研進展時，福爾曼驕傲地說，最新的科研成果來自他的中國學生周蜀渝，他用了將近3年的時間，驗證了在距離芯片表面僅5到6微米處物質波的空間相干性可得到長時間的保持。這項實驗在世界上首次證實了近距離物質波的空間相干性仍能得以保持，這為將來實現量子電路提供了參考。它表明在現有技術條件下，實現原子芯片上物質波的量子電路是可能的。“我們最近還有一個令人興奮的突破，他來自我的另一個中國學生周志凡。”福爾曼開心地說，“但我現在還不能告訴你。”

　　 福爾曼說，近10年來中國學生質量發生了巨大變化，首先語言障礙消除，很多中國學生英語流利；其次，科技理論技能大大增強，學術功底深厚；最重要的是，中國學生的獨立思考意識更加突出，敢于說不。“我常常和我的中國學生爭論，每天早上醒來的第一件事是查看他們的郵件，聽取他們的不同意見。”