缅怀洪朝生先生 回顾先生低温物理拓荒之路

材料人2020-11-20 16:57:43



我国低温物理、超导和低温工程研究的开拓者和奠基人之一——洪朝生先生因病医治无效,于2018年8月19日10时10分在北京不幸逝世,享年98岁。为缅怀洪先生,小编节选洪先生的学生——李来风研究员撰写的介绍洪朝生学术成就文章。


简历


洪朝生 1920 年 10 月 10 日出生于北京。1927-1936 年分别在北京育英学校和汇文中学学习;1936-1940 年在清华大学电机系学习,获工学学士学位 1940 年毕业后留校任教,就职于西南联大机电系助教;1943 年考取第八届庚款”留英公费生,1944年考取第六届庚款留美公费生,最后选择去美国留学。1945 年入美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,简称:MIT)物理系深造,1948 年获得科学博士学位。1948~1950 年任普渡大学(Purdue University)物理系博士后研究员,从事半导体低温性能研究。留学期间,1949 年参与组建留美中国科技者协会,当选为理事并负责组织工作。1950 年赴荷兰莱顿大学(Leiden University)低温实验室工作,任研究助理。1951 年 11 月取道地中海经香港回国,接受钱三强建议在中科院应用物理所开创低温物理研究,先后任副研究员、研究员、低温室主任,1952 年兼任清华大学物理系、北京大学物理系教授。1958 年兼任中国科学技术大学教授并创建低温物理专业。1956 年参加制定全国十二年科技发展远景规划;1964 年当选为第三届全国人民代表大会代表,“文化大革命”期间受到冲击。1972 年参与筹建汉中国防科委低温与超导研究所;1974 年筹办第一届全国超导学术会议;1978- 1998 年先后担任第五、六、七、八届全国政协委员。1978 年起先后任中科院物理所副所长、中科院低温技术实验中心主任。曾兼任中国物理学会副理事长(1978-1987),中国制冷学会副理事长(1982-1998),国际低温工程委员会(International Cryogenic Engineering Committee,ICEC)副主席(1980-1992)。1980 年当选中国科学院学部委员(院士);1983 年任“六五”科技攻关项目超导技术攻关组组长。 1978 年获全国科学大会奖;1990 年获首届胡刚复实验物理奖;2000 年获得国际低温工程领域最高奖――门德尔森奖(Mendelssohn Award);2011 年获得美国低温工程学会(Cryogenic Engineering Conference)颁发的柯林斯奖(Samuel C. Collins Award),这也是该奖项首次颁给外国人。


学术生涯


洪朝生的父亲洪光昆早年为同盟会会员,曾留学比利时、法国 8 年,研习道路工程,回国后从事铁路技术工作,曾任陇海铁路西宝段工程局长兼总工程师,闲暇时间翻译了大仲马名著《地亚小传》(后人译为《蒙梭罗夫人》),母亲高君远为近代著名出版家高梦旦之女。洪朝生有两个姐姐,幼时就与两个姐姐跟家庭教师学习小学课程和现代文化知识。小学和初中是在北京育英学校完成学业,那时开始对天文学产生兴趣,他的高中时代在汇文中学度过,在张佩瑚等名师引导下,对物理学产生浓厚的兴趣,想通过学习物理来了解宇宙的神秘。洪朝生 16 岁便考上了清华大学,当时他执意要上物理系,但做工程师的父亲坚持要让他学习工科,原因是他父亲认为工科才是对中国有用的,若学物理就不给他提供经济支持,无奈洪朝生选择了和物理比较接近的电机系。是探索自然奥秘亦或是做直接有用的事,一直困扰这洪朝生。


大学期间因对物理学的热爱,他常常去听物理系的课程。1940 年在西南联大电机系毕业,获工学学士学位。1941 年任西南联大电机系助教。1943 年考取庚款留英公费生物理专业。次年他又考取了第六届庚款留美公费生,后在任之恭、范绪筠指导下进行留学预备期学习。一个学工科的学生能够先后考取留英和留美的物理专业公费生,这在当时是很让人羡慕的。经过慎重考虑,他接受了范绪筠老师的建议选择了留学美国。1945 年来到美国入麻省理工学院物理系跟 W.B. Nottingham 教授学习物理电子学。


在美国读博士,首先需经过一年的基础课学习,通过考试后才能选择导师和研究方向,考试成绩下来,洪朝生考了第一名,W.B. Nottingham 教授异常高兴,有意把他招到自己的门下,而且在他的研究组里说:我们马上要来一个大英雄了。但洪朝生那时对理论物理感兴趣,特别想找一个理论物理的导师,后来在任之恭的建议下,还是同意做了 W.B. Nottingham 教授的研究生,从事氧化物阴极热电子发射方面的研究,这方面的工作在当时对军事领域很重要,课题得到美国海军、空军等部门联合资助。洪朝生对在加速场和减速场作用下氧化物阴极的热离子发射做了深入研究,他的论文研究工作得到导师的欣赏,推荐他到美国物理学会年会上作了个受邀报告。他的毕业论文“ Thermionic Emission from Oxide Cathodes: Retarding and Accelerating Fields” 1950 年发表在 J. Applied Physics 上。 以前在国内洪朝生喜欢理论物理,不太擅长实验物理,但在麻省理工学院读博士期间,洪朝生逐渐地发现自己喜欢动手做实验了,他搭建的实验台美观、适用、所得数据准确,深得导师和同行赞许。正是在攻读博士期间,洪朝生与当时在哈佛大学学建筑的李滢相识相爱,收获了爱情。


1948 年获得博士学位后,他联系到了普渡大学做博士后,那时固体物理研究正在兴起,半导体是热门,而且普渡的半导体物理研究很有特色,是当时美国主要的研究组之一,由 K. Lark Horovitz 教授领导,有二十多人。1940 年代,普渡大学物理系积极投入了半导体的研究,对半导体的基础物理特征非常重视,因此他们组成研究团队,逐步发展技术生长高质量锗单晶,定量地控制杂质的种类和数量,并且深入探究这些掺杂半导体的光学性质和低温电性,那时普渡大学取得的领先成果,更让贝尔实验室(Bell Laboratory)的 John Bardeen, Walter H. Brattain 和 William B.Shockley 等人利用种种手段旁敲侧击打探信息,寝食难安了好几年。贝尔实验室制作的第一个晶体管使用的是普渡大学提供的高质量锗样品。那一时期洪朝生参与了该项半导体低温电性的研究,开始他与普渡从荷兰莱顿大学聘来的低温技术专家共同搭建低温物性测试装置,一起操作新买来的氦液化器,经常躺在地上拆修机器,经过半年的时间,掌握熟悉了低温实验技术,接下来对各个实验室提供的半导体材料进行低温电导和霍尔系数测试,发现锗单晶样品低温下表现出电导和霍尔效应反常现象,起初洪朝生对这些测试结果并没有太在意。但后来发生的两件事促使他在这个领域开始深入研究,一是他当时经常去范绪筠家做客,范绪筠当时在普渡做客座教授,谈论中范绪筠提醒他要深入探究;二是他去参加第一届国际低温物理大会并作了报告,其中一位参会者问道这个反常现象是不是与材料纯度有关。洪朝生会后对实验结果进行了整理,发现在低温下半导体锗单晶电导与霍耳效应的反常行为,但是当时无法给出理论解释。在半导体组的例行双周汇报会上,“神秘”字样屡次挂在大家的口上,而洪朝生预定要离开美国的时间却迫近了。1950 年,即将结束普渡大学工作准备去欧洲留学的前两个星期,洪朝生又收到一批样品,是经过中子辐照过的样品,主要目的是确定其中嬗变产生的镓、砷杂质含量。他并没有因为新的工作行程而懈怠,而是加班加点进行测试。恰恰是这一批样品的测试结果,弥补了之前数据上的缺陷,使得电阻变化与杂质含量之间的规律一下子清晰起来。他提出禁带杂质能级导电唯象模型,与普渡的理论物理人员讨论,认为这个解释是合理的,然后洪朝生写了两篇论文投到 Physics Review,一篇是关于锗单晶低温电导和霍尔效应反常现象的实验结果,一篇是关于这些反常现象的理论解释,两篇论文在同一期以 Letter 的方式刊出。随后他又进行详细分析撰写了 11 页篇幅的论文,审稿人为肖克莱(Schockley), 肖克莱一直拖延审稿,直到1954 年这篇论文才在Physics Review 刊出。


这些论文在之后的数十年间被固体物理学界大量引用。该发现被黄昆称为 “洪氏能级” 。洪朝生的工作是后来通向非晶态物理研究新领域的开端,理论物理学家把他的结果作为非晶态固体中电子输运机制研究第一个类型来解决,并建立了新的理论概念。当时在普渡大学,接替洪朝生继续从事这项工作的是洪朝生当时指导的学生 Hellmut Fritzsche。他后来曾担任美国芝加哥大学(University of Chicago)物理系主任,1989 获 Oliver E. Buckley Condensed Matter 奖(美国凝聚态物理领域最高奖)。Fritzsche 的主要贡献之一在于:与莫特(N.F. Mott)共同建立非晶半导体的Mott-CFO 能带模型(CFO 是三个人名字的缩写,其中的 F 是 Fritzsche)。而“洪氏能级”可以被认为是上述模型(包括莫特的变程跳跃导电理论)建立的出发点。2010年 9 月 17 日,Hellmut Fritzsche 写来一封信,这封信非常感人,在信中称洪朝生永远是他的老师,并详细描述了在洪朝生回国后他如何寻找洪朝生的经历,他的信念是一定要找到洪朝生,一定要当面表达对洪朝生的感谢。在 1980 年 Fritzsche 受邀请来华访问上海中科院硅酸盐所,南京大学后来到北京终于见到了洪朝生,实现了当面感谢洪朝生当年把他带到这个重要的研究领域的愿望。


在 1950 年洪朝生发现并提出半导体杂质能级导电理论后,固体物理领域还没有特别重视,洪朝生前往英国会见莫特,莫特当时是英国利物浦大学教授,也是国际上固体物理的领军人物,洪朝生向他介绍自己的工作,但莫特当时对位错感兴趣,还很热情地希望洪朝生和他一起做位错理论,后来据黄昆讲,莫特的个性在于在某段时间对什么感兴趣,就全力投入,对其它内容就放下了。到了 1956 年,莫特才开始对洪先生的工作有兴趣,加上 1958 年安德森(P.W. Anderson)局域概念的适时提出(安德森研究局域化理论的第一个实验对象就是洪朝生的这个结果),实验与理论的交会,终于导致了 60 年代的变程跳跃导电理论的完成,1977 年莫特和安德森都因为对无序系统的研究而获得了诺贝尔物理学奖。


1956 年底严济慈为团长的代表团赴苏联考察半导体技术,团组成员有王守武、洪朝生、成众志、吴锡九等,历时 2 个多月,在参观了多个苏联的大学和研究所之后,苏方提出想听听中方的研究工作,严济慈推荐洪朝生做报告,洪朝生就把他的杂质能级导电工作做了介绍。当时莫斯科苏联科学院瓦维洛夫物理问题研究所的朗道(L.D. Landau,1962 年诺贝尔物理奖获得者)和卡皮查(P.L. Kapitza,1978 年诺贝尔物理奖获得者)听完洪朝生的报告,感到很震惊,认为这可不是一般的报告,对他大加赞赏,朗道以前就了解这个工作,没想到今天见到洪朝生本人。随后在朗道的推荐下,莫斯科其它研究所和大学纷纷邀请洪朝生去做报告,让本来看不起中国半导体研究工作的苏联人现在对中国肃然起敬。多年之后洪朝生的学生张殿琳院士问起他如果当年不回国而是选择在国外继续这方面的研究,诺贝尔奖会不会颁给他时,洪朝生沉思一会儿,摇了摇头说“没有如果”,他从未动摇和后悔回国的决定。


低温物理研究离不开低温条件,当时荷兰莱顿大学是国际上顶尖的低温研究机构,其低温实验室是以卡末林•昂纳斯(K. Kamerlingh Onnes)名字命名。昂纳斯最先实现 He 液化,也是超导的发现者。1950-1951 年洪朝生在这个实验室工作,深入系统地学习了获得低温的技术,同时在低温物理方面,取得了一个很重要的突破,即他于 1951 年,与 P.Winkel 合作,在超流 He II 中观察到临界速度的存在(由于Gorter-Mellink 互摩擦耗散的出现)。当时 P.Winkel 是在 Leidon 大学读研究生,做完实验对实验结果分析不透彻,是洪朝生发现有个临界值(论文发在 LT-2 上,当时 LT 这样的会议没有 Post 论文,参会者严格限制,一个单位只能有一个人参加)。


在昂纳斯实验室的实验工作,激发了洪朝生对低温的热爱,他写信与钱三强联系,钱三强热情邀请洪朝生回国开创低温事业,这样洪朝生在 1951 年赴英国参加完第二届国际低温物理会议后,取道地中海经香港回国,并接受钱三强、彭桓武、陆学善等建议,在中科院应用物理所开创低温科学研究,同时希望不放弃半导体方面的研究。1952 年受聘为清华大学、北京大学物理系任教授,在北大与黄昆、王守武、汤定元合作开设“半导体物理学”课程。但主要精力还是在中科院应用物理所开展半导体物理和低温物理两个领域的研究工作,任低温物理室和半导体材料组两个部门的负责人。在半导体材料研究方面生长出的锗单晶达到了器件制造的要求,之后在 1957 年洪朝生不再担任半导体材料组负责人,由林兰英接任,1960 年以应物所半导体室为基础,中科院成立了半导体所,独立出去。洪朝生将主要精力转向低温物理和低温技术领域。


新中国成立初期,钱三强先生和彭桓武先生从新中国发展的战略目标考虑,提出应在我国开展低温基础研究的建议。从事低温物理研究,必须先要有低温条件,当时我国低温工程事业完全是空白,需要从头开始。在钱三强、彭桓武等人推动下,中科院决定在应用物理所(即现在的物理所)建立低温物理实验室,并拨款旧币 10 亿元(即后来的新人民币 10 万元),交付由洪朝生筹划。


1953 年起,洪朝生开始带领青年技术人员(朱元贞等)设计和研制氢、氦液化系统,在国内首先实现了氢液化(1956 年,液空预冷,6 升/小时)和氦液化(1959年,液氢预冷,5 升/小时)。氢、氦液化系统获得 1978 年全国科学大会奖。其中氢液化技术,为后来在大连化工厂建立(通过液氢精馏)重水制备设备打下了基础,为国家的航天事业以及“两弹一星”工程提供了重要的支撑条件。


鉴于 1959 年研制成功的液氢预冷-氦液化技术安全性较差,洪朝生领导的项目组开始研制活塞式膨胀机预冷的氦液化器。然而,研究人员在加工精度方面遇到了困难。1962 年,周远(2003 年当选中科院院士、曾任中科院低温技术实验中心主任)刚从清华大学毕业,分配到半导体所工作,半导体所派他到物理所学习低温技术,以实习员身份参与到研制中,他大胆提出长活塞改进方案,但项目组其它人员未予理睬,而洪朝生慧眼识英才,鼓励周远做下去。在洪朝生的支持下,周远等人对膨胀机结构做了根本性改进,采用室温密封长活塞结构,巧妙地绕过了对加工精度的要求。在洪朝生团队(还包括:王听元、朱元贞、蔡根鑫等)的努力下,1964 年 12 月新型的活塞式膨胀机预冷的氦液化器研制成功,其结构与当时国际上先进的 Collins 氦液化器不谋而合。很快,新技术在国内得到推广,大大促进了我国低温和超导研究的发展。1989 年物理学会首届胡刚复物理奖由洪朝生和周远共同分享。


有了低温条件,接下来就该考虑如何开展低温科学研究。在低温科学领域,洪朝生做了长远规划:一是抓紧培养低温人才;二是开展低温物理基础研究;三是将低温技术推向应用。


在人才培养方面,1958 年中国科学院创建中国科学技术大学,在物理系中,洪朝生创建了低温物理专业,这是中国第一个低温物理专业。1961 年下半年,首届低温物理专业的学生要上专业课,做专业实验。在洪朝生的组织下,物理所低温研究室动员了很大力量,备课并准备专业实验设施。当时开设专业课的教师有:洪朝生、管惟炎、朱元贞、王桂琴、曾泽培、张祖绅等。洪朝生也开始招收研究生。鉴于教材稀缺,洪朝生组织同事们翻译了怀特(G.K.White)的专著《低温物理实验技术》(科学出版社,1962 年第一版)。随同中国科技大学首届低温专业学习的还有北京大学物理系送来代培的几位教师(阎守胜、戴远东、罗小兰等),他们后来在创建北京大学低温物理专业中起了重要作用。这些毕业的学生在 1980 年代后成为我国低温与超导的中坚力量,如超导专家尹道乐、曹烈兆、杨乾声、赵忠贤、崔长庚、张裕恒、李焕杏等,低温物理专家陈兆甲、舒泉声、毛玉柱、张殿琳等。 1980 年代,中国科技迎来了整体发展的繁荣期,有关机构决定组织出版实验物理学丛书,钱临照任丛书主编,洪朝生是副主编之一。《低温物理实验的原理与方法》(科学出版社,1985 年第一版)被列入出版计划,并责成北京大学物理系的阎守胜和陆果二位老师撰写。洪朝生从全书的提纲,到材料的选取(为了反映国内外最新的实验水平,洪朝生要求:要通过阅读原始文献获取材料,而不能从已有的专著简单拷贝);从绘图的标准,到新进展的补充,洪朝生与作者间的每一轮研讨都要持续数小时,充分体现了他严谨的治学风范。多年来《低温物理实验的原理与方法》一书受到了专家学者的一致好评。已经出版的早已售磬,现在有些大学,为了满足教学的需要,不得不采用“复印”的办法,为学生提供这本教材。阎守胜至今还保留着洪朝生当年为此书修改写的几百个标记纸条。


在低温物理基础研究方面,洪朝生最早提出开展极低温科学、超导和超流氦方面的研究,1959 年他设立了两个攻关项目:(1)获得超导转变温度在 80K 以上的超导体;(2)液体氦的超流动现象的研究及其应用的发展。这两个题目以今天的视角看,都是极具战略眼光的规划。在极低温方面,1965 年物理所低温物理室采用绝热去磁方法获得 10mK 的温度,成为我国向极低温研究迈进的开端;在超导方面物理所低温物理室进行了一些超导薄膜方面的研究,探索超导计算机元件的可行性,并在国内发起硬超导材料的科技攻关。在他的带动下,到 1974 年国内超导研究具备相当的水准和规模,洪朝生适时发起召开第一届全国超导学术交流会,他对那次会议相当满意,国内各单位的参会者都毫无保留地将自己的研究成果拿出来真诚交流。文革结束后,洪朝生应邀出席在意大利热那亚召开的第八届国际低温工程大会,由于中国在国际低温领域封闭多年,国外很想了解中国的情况,就邀请洪朝生做大会特邀报告,洪朝生做了题目为“Cryogenics in China Today”的报告,很大篇幅介绍中国在超导方面取得的成绩,令国外同行很震惊。在这次会上,洪朝生当选为国际低温工程委员会委员,副主席,也是在这一年,洪朝生当选为中科院数理学部学部委员(院士)。1982 年洪朝生再次呼吁国内开展超导科技攻关,在 1983 年得到中科院批准正式列入“六五”科技攻关项目,学部主任钱三强任命洪朝生为攻关组组长,攻关单位有 9 个研究所和中国科大,计 130 多人参加,中科院低温中心为依托单位,高温超导也列入研究内容,这个项目取得了非常好的结果,培养了大量超导人才,为 1986 年高温超导发现,我国能及时介入高温超导研究前列起到重要作用。在 1985 年项目结题时中科院的评价是:我院的工作是在国内超导研究处于应用前景不明确、举旗不定的情况下开展起来的,并自始自终坚持到底做出了这样好的成绩,这种科研作风是值得倡导的,他们在攻关中取得的经验值得大家学习借鉴。


在 1992 年国内召开的一次高温超导国际会议上,甘子钊介绍中国超导研究进展的报告中,向参会人员提到洪朝生是中国超导事业的创始人。洪先生是一个非常严谨、低调的学者,很少提及自己的工作成绩,1982 年在物理学会成立 50 周年的年会上,赵忠贤根据大会主席的安排,做了“我国低温物理三十年”的报告。对此,谢希德评说:过去只了解洪先生在半导体方面的贡献,赵忠贤的这次报告,使我了解到洪先生为我国的低温事业做出的巨大贡献。


在低温技术应用方面,洪朝生投入很大精力,除了向国内相关单位、气体工业提供低温技术条件外,对 1960 年代的国防军工领域发展中也倾力支持。航天飞行器和人造卫星造价昂贵,为了保证它们在轨道运行中可以正常工作,需要事先在地面的模拟环境(主要是冷-暗环境)中对其进行综合性能测试。1965-1977 年洪朝生团队(雷文藻、叶加鼎、杨克剑、杨文治等)与相关航天部门协作先后研制和建成了大型空间环境模拟设备 KM-3 和 KM-4 。在空间环境模拟室中,主要是利用低温冷凝原理来获得超高真空,即通过气体氦制冷系统,使冷屏的温度达到 20K, 从而捕获可冷凝的气体分子。KM4 系统采用了我国首次研制成功的静压气体轴承透平膨胀机(氦气透平以每分钟 88000 转的转速稳定运行),系统制冷量为1200W/20K,氦板面积为 62.8m2,它可产生的冷凝抽速为 2×106l/s。KM4 环境模拟室直径 7m,热沉内径为 6m、高 8.5m,热沉温度低于 95K。KM4 模拟室的空载极限真空度达到 5.1×10-6Pa。从 1978 年开始至今,中国第一颗通信卫星“东方红二号”、第一颗气象卫星、返回式卫星或其他型号卫星的组件,在北京卫星环境工程研究所 KM4 空间环境模拟室中进行了数十次真空热试验,1978 年科学大会召开时,物理所将 KM3、KM4 以及微型制冷机、长活塞膨胀机预冷的氦液化设备等专项工作,统一以“低温技术研究”作为成果上报,获得了科学大会奖。后来, KM4 设备又获得 1985 年国家科技进步一等奖。大型航天器,气体载荷大,要求采用抽速为每秒百万升的内装式深冷冷凝泵,冷凝板温度低于 20K。为防止冷凝板直接受到来自被测航天器的热辐射,冷凝板需有液氮热沉壁板的保护,以减少热负荷。相关的热负荷计算方法首先由洪朝生提出。在火箭低温推进剂方面,液氢-液氧火箭被认为是高效燃料,但在 1960 年代,火箭研制部门对液氢技术不熟悉,洪朝生毫无保留地向他们提供液氢技术,为两弹一星做出贡献。1999 年人民日报发表张劲夫的文章《请历史记住他们――关于中国科学院与两弹一星的回忆》,文中高度评价了洪朝生负责的低温实验室在液氧、液氢制造方面做出的历史贡献。


1980 年代,在洪朝生的组织和带领下,中国科学院低温技术实验中心集中了优势兵力(周远、蔡根鑫、李刚等),投入到“基于核反应堆的冷中子源”项目中。这是一个中法合作的项目,是钱三强和洪朝生共同提出的。利用液氢使来自反应堆的中子慢化,进而借助于谱仪,测量中子在被样品散射前后其能量和动量变化,达到研究固体晶体结构和磁结构的目的,经过 4 年的艰苦攻关,建成了亚洲第一座冷中子源,受到了国际同行的高度关注,可惜因当时法国方面答应的谱仪最后没有提供而搁浅,否则中国的基础研究会大大受益于该装置。


自 60 年代,洪朝生就非常关注应用超导,他重点抓的是超导磁体应用,包括超导核磁谱仪、超导磁约束聚变堆、超导磁分离技术等。他认为超导是件大事,而超导磁体的应用最能体现对国民经济、人体健康、先进能源及大科学工程作用,从四川乐山中国环流器一号,合肥 EAST 聚变研究堆,到正负电子对撞机等,他都给予了极大的关注。


进入 21 世纪,洪朝生极力推进小型制冷机的发展和应用,尤其是在信息技术的应用是他最为关注的,他早年的很多学生在这个领域取得了一些值得肯定的成果。洪朝生在获得 2000 年度门德尔松奖(Mendelssohn Award)后做大会报告,展望了未来 10 年低温科技的发展前景。他认为,关于氧化物超导体,仅仅看到它高的超导转变温度,是大大不够的。超导专家们应拿出更多的力气去关注,该类超导体在正常态的奇异性质,以及可能的应用(特别在低温电子学领域)。低温工程专家们也应该努力为上述可能的应用提供技术支撑。关于低温学与信息技术(IT)的关系。洪朝生表示,低温环境是高质量信息处理的保证。在寻求新的信息载体的过程中,往往会碰到量子效应(如:超导量子干涉器件)。此时,低温工程对研究的支持,不能仅仅停留在提供冷却功能,而对于材料新颖低温特性的应用也应给予认真关注。今天看来洪朝生在每个阶段提出的战略规划,都是相当超前的远见。


洪朝生非常重视基础研究,从事低温科学研究必须建立相关的实验室,在 1980 年他向中科院建议成立专门的研究机构,即中国科学院低温技术实验中心(研究所级),他担任首任主任,先后建立起国家低温温标;液氦集中供应站;材料低温力学实验室;材料热物性实验室;强磁场实验室;小型制冷机实验室等,在 1996 年成立“极低温物理开放实验室”(该实验室 1999 年转入物理所,目前是国家开放实验室)。依今天的观点,那时成立的低温中心,就是按着现在的国家实验室模式建立的。


六十年来,洪朝生不仅全身心地致力于祖国的低温事业,他还十分重视在专业领域的国际交流。作为国际低温工程专业委员会(International Cryogenic Engineering Committee ,ICEC)的委员 (1980-1992),他积极促进中国的同行参加国际学术会议。为了提高中国低温科技人员在国际专业领域的参与度,1989 年,洪朝生和日本冈山理科大学信贵豐一郎教授(Toyoichiro SHIGI, Okayama Univ. Science) 共同创立了中日低温制冷机学术定期交流会(Joint Sino-Japanese Seminar on Cryocoolers and Concerned Topics,简称 JSJS)。这个系列会议增进了中日学者的互动,进而帮助中国同行,跟上本领域的前沿方向并积极参与国际竞争。


洪朝生积极邀请国际著名学者来华进行学术访问,以推动国际间学术交流和促进国内科技发展。从 1966 年起,有多位世界顶级的低温物理学家到访物理所和低温实验技术中心,其中包括:


(1)英国牛津大学教授门德尔松(Kurt Mendelssohn,1906-1980)。早在 1960 年他就出版了名为 《Cryophysics》的低温物理学专著。该书篇幅不大,但涉及了有关低温物理的几乎所有分支领域。我国科学出版社 1965 年出版了由许国殷翻译的中文版,使大批刚刚入门的低温科技工作者从中获益。门德尔松曾对中国人民怀有深厚的感情,先后三次来访,使当时忙于低温工程的中国专家门开阔了视野。


(2)诺贝尔奖获得者杨振宁、李政道。他们的理论被实验所验证,正是基于吴健雄教授等完成的放射性 60Co 衰变极低温实验。


(3)两次诺贝尔物理奖获得者巴丁(J. Bardeen)。1980 年代初,他关于超导机理的学术报告为中国科技人员的新超导体探索添了一把火。1987 年在高温超导体研究发展的国际竞争中,中国学者(以赵忠贤为代表)跻身于第一方队。


(4)英国皇家学会(Royal Society) 最年轻的会员 Anthony Leggett。他 1983 年访问北京,20003 年因其在超流理论方面的贡献获得诺贝尔物理奖。


(5)芬兰赫尔辛基大学(Helsinki University of Technology, Finland)教授 O. V. Lounasmaa 。他是国际 1K 以下实验技术的领军人物,他的来访大大促进了我国稀释制冷机的研制(冉启泽等)和 1K 以下极低温实验的开展。中国科学院物理所的吴令安教授在 1971-1981 年间,曾专职担任有关国际交流的英语翻译工作。当有外宾来访或中科院领导出访,吴令安总感到同声传译的任务压力很大。不过,她表示:如果碰上洪朝生接待外宾,压力就没了,因为洪朝生与外国同行的口头交流非常顺畅。可以说,在当时物理所的各位教授中,洪朝生的英语口语是最好的。


洪朝生在研究生培养方面极为认真,读他的研究生必须做好 5 年甚至 7 年 8 年才能毕业的准备。洪朝生对研究生培养投入的时间和精力非常多,为保证培养的学生质量,他招的研究生并不多。学生和同事在他的指导下出了成果,只要主要工作不是他亲自做的,他绝不同意在论文上署名,很多奖项他也不挂名。李来风读他的博士期间,所里一位领导跟他说,将来李毕业后可以从事科研管理,洪朝生非常生气,说我培养他是要花心血和精力的。1980 年代,他的一个学生联系出国,洪朝生为他写了 3 封推荐信,但后来该研究生又多打印了一些并模仿签字投递,洪朝生发现后,严厉批评了这名学生,而且坚决不同意他出国,责令他必须认清错误,从哪跌倒从哪爬起。若干年后这名研究生在美国当了教授,他谈起一生中最大的收获就是当时洪朝生对他如何做人的教诲。1955-1965 年物理所总共招收了 67 名研究生。其中有三人在后来当选为中科院院士,他们是:张殿琳(导师为洪朝生,2001 年当选)张裕恒(导师为洪朝生, 2005 年当选)王鼎盛(导师为潘孝硕,2005 年当选)。三人之中有两位是洪先生的研究生,专业均为低温物理。张裕恒在回忆当年洪朝生培养他的经历时提到,有一次洪朝生给他一篇外国文献让他看,过了一个星期,洪朝生问他有什么感想,张裕恒当时就把看的情况如实介绍,没料想,洪朝生告诉他这篇论文是错误的,张裕恒怎么也没想到正式出版的论文会是错误的,这对他今后科研工作触动很大,看文献不再盲目相信了。他的另外一个学生张殿琳说:1964 年我考取了洪先生的研究生,并于次年春进入实验室。先生给我拟定的研究课题是,利用磁光法拉第效应观察超导体的磁通运动特性。同类课题是现今高温超导研究的必备手段,但早在 1965 年就提出这个课题,反映出先生敏锐的科学洞察力和远见。 2011 年 10 月前后,中国科学院理化技术研究所和物理研究所分别举行了学术研讨会,会上也宣读了现年 86 岁的美国物理学家 Hellmut Fritzsche 给洪朝生的信,信中 Fritzsche 对洪朝生早年在普渡把他带到半导体杂质能级导电的研究领域表示深深的谢意,并称洪朝生永远是他的导师。


洪朝生是一个谦逊、严谨、爱国的学者,他的科研精神和爱国思想深深感动身边的每一个人。他淡泊名利,国内多次要推荐他申报各类奖项,他一一谢绝。他获得的国际低温工程最高奖(门德尔森奖)和美国低温工程最高奖(柯林斯奖)都是国外同行在没征求他个人意见的情况下授予的。在国家困难时期,他自己生活简朴,对自己非常节俭,但对困难的职工他慷慨解囊,他省下来的工资拿出来帮助困难的职工,改革开放后他每次出国回来都把剩余的外汇交到院里,科研课题剩下的经费一律主动上交国家,复印资料要求大家正反面用,从每件小事上都能感觉到他对祖国的责任。到了晚年,他认为自己不能全时投入一线科研工作,主动要求降低工资,要求按退休人员标准发放。总结自己的科研经历,他总是说自己是幸运的,在每个阶段都得到别人的帮助。


科学成就


1)发现半导体锗单晶中低温电导与霍尔效应反常现象,并提出禁带中杂质能级导电唯象模型,进而推动了固体无序系统中电子输运机制的理论研究。


2)与 P.Winkel 合作,在超流 He II 中观察到临界速度的存在(由于 Gorter-Mellink 互摩擦耗散的出现)。


3)建立氢、氦液化系统,开创了国内低温物理、超导和低温技术的研究。


4)培养了一批低温物理、低温技术人才。


洪朝生主要论著


Hung C S(洪朝生), Gliessman J R. 1950. The resistivity and hall effect of germanium at low temper peratures. Phys Rev (Lett), 79: 726.


Hung C S. 1950. Theory of resistivity and hall Effect at very low temperatures. Phys Rev (Lett), 79: 727. Hung C S, Johnson V A. 1950. Resistivity of semiconductors containing both acceptors and donors,Phys Rev ( Lett), 79: 535


Hung C S. 1950. Thermionic emission from oxide cathodes: retarding and accelerating fields. J Appl Phys, 21(1): 37.


Hung C S, Baum R M. 1952. Activation energy of heat treatment introduced lattice defects in germanium. Phys Rev, 88(1): 134.


Hung C S, Hunt B, Winkel P. 1952. Transport phenomena of liquid helium II in narrow slits. Physica, 18(8/9): 629.


Hung C S, Gliessman J R. 1954. Resistivity and hall effect of germanium at low temperatures. Phys Rev, 96: 1226.


Hung C S,1980. Cryogenics in China. Prpc. of ICEC 8, edited by C. Rizzuto, Plenary talk, 881


Hong C S, Lin P, Mao Y Z, Yue Y, Zhang Q G, 1990. Study of the realization of 4He λ Transition Point Temperature by Means of a Small Sealed Cell, Proc. of ICEC13, 432


Song N H, Hong C S, Mao Y Z, Lin P, Zhang Q G, Zhang L. 1991.Realization of the Lambda Transition Temperature of Liquid 4He, Cryogenics, 31:87


Hong C S, Xu X D. 1993. On the Unique Features of the Low Temperature Regenerator in a 4.2k G-M Refrigerator, Proc. of 4th Joint Sino-Japanese Seminar on Cryocoolers and Concerned Topics, Oct. 19-23, 1993, Beijing, China, 6


Li L F, Hong C S, Li Y Y, Zhang Z. 1996. Martensitic Transformation in ZrO2-CeO2 System at Cryogenic Temperatures. Cryogenics, 36:7.


Hong C S. 2000. Cryogenics for China Tomorrow ? --a reverie-- . Proc. of ICEC 18, Mumbai, India, 59


洪朝生,国外低温超导技术的发展,低温工程,1981 年第二期,PP 1-77


主要参考文献


林志忠. 2010. 普渡琐记——从 2010 年诺贝尔化学奖谈起. 物理, 39(11): 773.


中国制冷史,潘秋生主编,中国科学技术出版社,2008


撰写者


李来风(1964~),中国科学院理化技术研究所、研究员。洪朝生的学生。

 

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