基础研究出成果慢且有很强的不确定性，可一旦有成果，就可能产生颠覆性影响。做基础研究需有甘坐“冷板凳”的精神，要持之以恒。如何发现和设计性能优异的量子材料？这是北京理工大学教授、物理学院院长姚裕贵钻研了20多年的问题，但他却说“直到今天也才略懂皮毛”。

撰文/记者 吉菁菁  编辑/丁林

在我国的江西九江盛产一种毛竹，这种竹子在最初的5年，生长似乎很慢，仅仅3-5厘米的高度，少有人注意。但在地下看不见的地方，竹子的根系却在努力地生长，每公顷竹林根系的总长度甚至能达2.4万多公里。凭借庞大坚实的根须系统，在第六年的雨季，毛竹的生长速度得以一飞冲天——仅仅半个月左右的时间，高度就能接近30米。

毛竹生长的故事和基础研究对科研体系中创新与突破的重要作用，可以说是异曲同工。

科学家在进行基础研究时，需要花费很多时间来探索基本规律、原理和现象。这意味着他们常常走的是他人从未走过的路，解决的往往是从无到有的问题。而这些努力可能并不会立刻产生显著成果，就像竹子最初几年看起来没有什么变化一样。但正如毛竹在第六年突然蓬勃生长，只要打牢了基础研究的“地基”，更多的科技创新就会涌现，更易迎来“平地起高楼”的爆发式突破。

北京理工大学物理学院的院长姚裕贵，就是一位像毛竹一样深扎基础研究三十余载的物理学家。他长期致力于凝聚态物理、计算物理和材料物理领域，在量子反常霍尔效应、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等多个方向上，均取得了一系列重大的突破性成果。2018年至2022年，他连续入选全球“高被引科学家”名单，荣获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、北京市自然科学奖等奖项。

“顶天立地”做科研，服务国家重大需求

在外行人看来枯燥艰深的领域，姚裕贵却始终几十年如一日地乐此不疲。谈及初心，姚裕贵表示是出于热爱：“我从小喜欢数学也喜欢物理，数学像是道逻辑题，最终的结果是确定的，无非是正确或错误；物理却是门猜测的学问，每向前迈出一步，都是一个无限逼近真理的过程。”他为这种猜测和追逐的过程深深着迷。

高考时，姚裕贵顺利考上了天津南开大学物理系，“大学四年里，我把图书馆中只要和物理沾边的书，基本上都找来看了一遍。”而后，畅游学海的姚裕贵，又先后攻读了中国科学院上海光学精密机械研究所的光学硕士和中国科学院力学研究所的力学博士。

也正是在这一时段，姚裕贵意识到，相比更偏工程和技术的光学及力学方向，自己更想去探索事物现象背后的物理机理，真正想研究的是自然现象中的底层物理逻辑。

1999年，姚裕贵进入中国科学院科物理研究所博士后流动站，正式开启了计算物理和凝聚态物理的基础研究之路。

2001年，姚裕贵前往美国德州大学奥斯汀分校物理系从事博士后研究，开始深入研究铁磁材料中的反常霍尔效应。反常霍尔效应由美国物理学家霍尔在1888年提出，是磁性材料中最基本的输运现象之一，它不仅是诸多低功耗量子效应的物理原型，也是拓扑量子物态的重要基石。100多年以来，许多国际上著名的科学家对此进行了大量的研究工作，但都未能通过完整的理论体系和定量的方法对实验结果做出令人信服的结论。

面对这样一个物理界的百年难题，虽然没人做成过，仅仅因为“之前的工作有一定的基础”，姚裕贵决定去啃这块“硬骨头”。他选择了一个该领域“前无古人”的全新研究方法，通过编写一个程序来计算反常霍尔效应。“说实话那两年我的压力还是非常大的，基础研究需要在无数个不确定中去捕捉到确定的规律，也没有前人经验可以借鉴，当时完全不知道我们到底会不会把它完成。”

在之前，科学家们通常认为反常霍尔效应是由外在散射机制引起，而忽略内禀的贝里相位机制。所谓贝里相位效应，是指在光学或电子学等领域中，光或电子在循环绝热传播过程中积累的相位变化现象。可以简单地想象为光或电子在材料中的传播就像湖面上的波浪传播，随着波浪的传播波的相位也相应变化，类似地，光或电子在材料中传播时，材料性质也会对其产生影响，也会像湖面的波浪一样有相位的改变。

经历了无数个难忘的日日夜夜，2004年，姚裕贵和研究团队颠覆了当时学界数十年来对反常霍尔效应“外在机制占主导，内禀机制不重要”的传统看法，创造性地将贝里相效应融入到第一性原理计算中，率先在国际上发展了反常输运物理量的第一性原理计算方法，定量地研究了反常霍尔效应中基于贝里相的内禀机制，指出了内禀机制的重要性，实质性地推动了反常霍尔效应研究的发展。该工作单篇引用达627次，并被国际上多个实验组验证。关于反常输运的部分成果更被写进了国外主流教科书，姚裕贵也因此成为该领域开拓者之一。

两年多的时间，就解决了物理界的“百年难题”，但姚裕贵却说，做科研不能依赖什么“灵光一现”，靠得住的只有“博观约取”和“厚积薄发”。

凭借着孜孜不倦的学习和探索精神，他引领了硅烯等二维拓扑材料的研究，所提出的理论模型被冠名；完成了三维晶体中准粒子的分类并建立了百科，为搜寻和实现相关演生粒子提供理论指导。同时，他还坚持做有用的物理，服务国家的重大需求，通过发展含能材料能量释放性能及感度快速检测技术，填补了相关国防领域技术空白。

“立德树人”育英才 ，让更多人爱上物理

相比起科技工作者的身份，姚裕贵同样投入巨大时间和精力的身份是老师。“基础研究的‘地基’是人才，我们当务之急是在建设好基础学科的同时，加强培养基础研究的顶尖人才。”

在学生们眼里，姚老师每天都笑呵呵的，有着用不完的旺盛精力。看似他每天早上7点会骑自行车出现在校园，但“每天早上6点多就能准时收到姚老师回复的工作邮件，说明他在那之前就已经起来工作了”。

2018级博士生曹晋近日获得研究生国家奖学金，他还记得刚到学校时，每晚22点半才走，“当时以为自己很勤奋”，但后来发现姚老师每天23点半才下班，而且下班后还会雷打不动去学生办公室关心当天的科研进展，“这让我感到惭愧，后续也以老师为榜样，对自己要求更严了”。

尽管科研和行政工作都非常繁忙，但姚裕贵却始终把和学生的交流摆在第一位。组会是他和学生交流的重要平台，每个学生都知道，在姚裕贵的心中，课题组重要组会的优先级几乎是所有事情中最高的。有时开组会他顾不上吃饭，就直接拎着一个馅饼和一瓶矿泉水边听边吃。“姚老师进入科研状态时非常专注，我们发言后，他会事无巨细地提问，从宏观物理图像到具体技术的细枝末节，都会一一展开沟通。”

姚裕贵认为做科研最重要就是提问，他经常鼓励学生们“多看文献、多提问题”。由于自身的多学科背景，他也非常注重学科交叉融合，常请外部其他学科专家来授课，以激发学生的创新精神。2016级博士生张闰午现在已经是物理学院副教授了，“姚老师对自己非常节俭，但他对学生和科研却非常大方，给学生配最好的笔记本电脑，尽力协调提供最大的科研资源支持。”

桃李不言,下自成蹊，如今，姚裕贵培养的学生大多进入高校或研究所工作，献身前沿科技和基础人才的后续培养事业。在姚裕贵的带领下，2022年，北京理工大学物理学也入选国家“双一流”建设学科，物理学院2018年还获批立项“先进光电量子结构设计与测量”教育部重点实验室，参与建设教育部“高能量物质”前沿科学中心，承担了国家重大研究计划、国家重大仪器专项。但姚裕贵同时还在考虑，如何让更多人爱上物理。

“科技创新和科学普及是实现创新发展的两翼。我希望通过物理学科普，提升全民科学素质，让民众理解物理学家的工作，更吸引到优秀人才。”为此，姚裕贵一直推动北京理工大学物理学院作为全国科普教育基地的建设。作为院长他亲自挂帅，担任科普基地主任，充分利用学院优质教学资源，组织了一支拥有高涨科学传播事业热情和扎实专业基础的科学传播团队，打造了“天地之美 万物之理”物理公众科学日特色品牌，助力科学技术在公众中的普及和推广。迄今为止，北京理工大学物理学院科普基地已举办各类公益讲座百余场，服务线上线下公众200多万人次。

坚守为舵，创新为帆

今年以来，姚裕贵带领课题组在面内反常霍尔效应、非线性拓扑力学超材料、二维材料中光学拓扑性调控新机理、Kagome超导等方向相继取得了重大进展。在计算物理和凝聚态物理的汪洋上，他以坚守为舵，创新为帆，继续远航。

“基础研究确实是要坐住坐稳‘冷板凳’，需要持之以恒的耐心及毅力，才能有真正的进步和创新。今后几年，我希望能够找到更好更优的量子材料，在领域取得更大突破，解决一些实际的问题。”

2023年5月，在北京市委宣传部、市科协等部门组织开展的遴选活动中，姚裕贵被评为北京“最美科技工作者”，同月还获评“北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才”。7月，他又荣获了三年评选一次的首批“北京市先进科技工作者”称号。

面对荣誉，姚裕贵谦虚而朴实地说：“得奖有些意外，也感到非常荣幸。未来希望能鼓励更多的人投身于基础研究和物理学，希望通过我们的努力，鼓励和引领更多年轻人勇闯科学探索‘无人区’，为加快实现我国高水平科技自立自强、推进中国式现代化不断作出新贡献。”

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