作者:李思辉 韩扬眉 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/7/14 20:22:08
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耗时5年,40岁PI发明独家工具!助力飞速发Science

 

望着东湖傍晚的碧波,40岁出头的袁声军有些庆幸,庆幸自己当初选择从国外归来,选择奔赴武汉大学。

在这所樱花盛开的“最美大学”里,他带领团队,夜以继日地“打怪”,耗时5年,终于发掘出一套独步天下的“绝技”。凭借它,世界上很多知名大学、知名科学家都主动向他发出合作邀约。

6月29日,Science发表了中国科学院物理研究所许杨团队关于“里德堡莫尔激子”的一篇重要论文。武汉大学物理科学与技术学院袁声军团队为并列第一作者单位和通讯单位。

“我们解决的实际上是一个非常棘手的计算物理问题。”袁声军教授告诉《中国科学报》,在物理学研究上,一旦发现某种新现象,要确定它是一种规律性而非偶然性现象,就必须进行反复实验,同时进行理论计算,找到现象产生的原因,验证实验结论。

如此复杂的问题,袁声军团队不到3个月就得出了理想的计算结果。此后的投稿过程也十分顺利,“今年2月份投稿,5月份就接收,6月底就在线发表了,这个速度在顶刊里算是飞速了。”

袁声军 受访者供图(下同)

他们发明的计算工具,迄今“举世无双”

中国科学院物理研究所许杨团队在实验中发现了里德堡莫尔激子态的迹象,但是,怎么去确定实验所观察到的一定就是里德堡莫尔激子呢?能否通过理论计算还原出所观察到的实验现象?

“我和许杨在合作这个项目之前,其实并不认识。去年7月份的时候,物理学院一位回国不久的年轻同事告诉我,他的一个实验伙伴有个问题用常规的方法解决不了,问我能不能帮忙看看。”袁声军回忆说。

对于学术讨论和合作,袁声军基本上是来者不拒的,于是双方很快开了一个网络会议。当看到许杨的实验之后,袁声军的第一个感觉是:实验太巧妙了,太漂亮了!第二个感觉是:他们找对人了!所以,他当时跟许杨说了两点:“第一,这个问题我们可以解决;第二,这个问题估计也只有我们可以在不动用海量计算资源的情况下来解决。”

“解释实验现象的关键一步,需要对一个庞大而复杂的原子体系进行精确的电子结构计算,其中一个原胞就包含三万多个原子,远远超过了常规第一性原理计算的范围。即便是基于二次量子化的紧束缚模型,也是难以求解的,因为计算需要找到费米面下电子的所有占据态,除非动用非常大的超算资源,否则是没有办法完成的。”袁声军介绍说。

巧就巧在,袁声军团队刚好发展了一套新的计算物理方法,完美绕开了常规方法中的对角化过程,可以直接应用到这个问题中。

作为合作单位的袁声军团队在此项研究中,利用自主发展的大尺度计算物理方法TBPM、DFPM和计算软件TBPLaS,对包含多达近千万原子的超大体系进行了精确的电子结构计算,发现莫尔超晶格中的空间电荷分布对这一实验现象的产生起到了关键作用。

从左到右:詹真 袁声军 张亚磊

何谓TBPM、DFPM和计算软件TBPLaS,袁声军介绍,这是该团队自主发展的计算物理方法和软件,TBPM和DFPM的中文名分别为“紧束缚传播方法”和“密度泛函传播方法”。TBPLaS是基于TBPM开发的一套高性能计算软件。

袁声军于2008年在荷兰格罗宁根大学获得计算物理博士学位,之后到荷兰奈梅亨大学先后担任博士后研究员和终身教职轨道制助理教授,一直从事原创计算物理方法的探索、发展和应用。2016年底年回国入职武大后,袁声军设定了两个新目标:一个是基于其发展的TBPM方法开发计算软件TBPLaS,另一个则是发展新方法DFPM。

该团队历时五年,终于在2022年完成了这两个目标:TBPLaS可以对数十亿原子组成的复杂体系进行精确的电子结构计算,填补了世界计算物理领域的一个空白;DFPM方法实现了从哈密顿量到电子空间密度的无对角化自洽计算,极大扩展了第一性原理计算的尺度,可以将密度泛函理论计算推广至百万原子体系。

袁声军团队

回国后,他觉得自己“如虎添翼”

“回国后,确实得到了很多的支持,不仅有更多的科研经费,还有很多优秀的学生。我回国前就已经独立工作了好几年,加上这些给力的支持后,感觉如虎添翼,可以同时在几个研究方向上发力了。”袁声军说。

他介绍:“DFPM方法的发展是一个极富挑战性的研究课题,我们前后花了五年的时间来不停地探索和试错。还好最终把路子走通了,如果许杨早半年联系我们,我们就没有把握在短时间内解决Science文章里所描述的问题。”

在这次合作中,袁声军团队需要先把新发展的DFPM方法推广到TBPM方法中,然后在TBPLaS计算软件中进行代码实现,最后通过一系列计算,复现出实验的观测数据。

通俗讲,新的物理现象就像是一行神秘的未知文字,科学家发现了它,是第一步;对它进行理论计算,验证内在规律是第二步;通过其中的内在规律实现更大意义上的应用研究是第三步。计算物理软件就像一部“神秘文字的翻译词典”,一旦把相关实验条件和数据输入进去,进行精确运算,就可以从结果去判断此前假定模型正确与否,从而找到这些未知文字的真实含义。

武汉大学物理科学与技术学院相关负责人告诉记者,计算物理学是研究如何运用数值方法解决物理中的理论问题,其中新方法的发展和相应软件的开发,是计算物理学的核心问题,同时也是一项“高风险工作”。

该负责人介绍,与一般意义上的使用已有方法和软件不同,新方法的发展可能需要搭建一个完全不同于已有方法的数值计算体系,既要保证其科学性和准确性,又要保证新方法可以大幅超越旧方法。类似研究往往耗时数年,新的算法体系可能搭不起来,或者搭起来又垮掉,一旦如此就等于白费了时间和精力。参与其中的教授科研绩效会受影响,研究生也可能都不好毕业。也正因为如此,目前国际上真正做原创计算物理方法的人相对较少,能够耗时四五年,潜心设计通用计算软件的团队更少。

袁声军指导学生

“五年磨一剑”,供全世界科学家免费使用

“五年磨一剑,剑成天下惊。”据悉,TBPM、DFPM和计算软件TBPLaS发展成功后,国内外诸多顶尖科研团队都主动联系武汉大学,寻求与袁声军团队的科研合作。他们希望借助该团队在计算物理领域发展的方法和程序,对他们的创造性发现、创造性实验进行科学验证。

袁声军告诉《中国科学报》,计算软件TBPLaS目前已经开源,全世界的科研工作者都可以通过www.tbplas.net下载并免费使用。此外,袁声军团队还参与发展了量子计算机全振幅模拟方法,该方法是目前最为精确的量子线路模拟方法。

该团队曾于2019年在国内最大的超级计算机“神威·太湖之光”上,实现了48个量子比特的通用量子计算机全振幅模拟,创造了世界纪录,并独立开发了多款具有自主知识产权的量子计算软件。袁声军团队也凭借在计算物理方向上的研究特色,与诺贝尔物理学奖得主等大咖同台合作,3年内相继问鼎Nature与Science。

“发在Nature那篇论文,合作周期更长。”袁声军介绍,2019年,他在荷兰访学期间,接到国际同行的邀请,希望促成武汉大学与曼切斯特大学的合作,这项研究的领导者是诺奖得主安德烈·海姆教授。袁声军团队围绕“石墨烯气体通透极限”这一研究课题,投入了超过一年时间的复杂计算,终于揭开了其内在规律。这篇文章2020年发表在Nature上,袁声军与安德烈·海姆为共同通讯作者。

“这一次发在Science上的论文则要顺利得多。”袁声军介绍,不到3个月就得出了理想的计算结果。

令袁声军觉得“顺利”的另一个原因是,与中国科学院物理所合作的这篇文章,Science接收也非常快。他说:“今年2月份投稿,5月份就接收,6月底就在线发表了,这个速度在顶刊里算是飞速了。”

论文共同第一作者、武汉大学博士后詹真告诉记者:“听大咖们说,Science审稿一般需要三四轮,甚至五六轮,这篇文章,一轮就过了,很快就发了,感觉非常Nice!”

相关论文链接:

https://doi.org/10.1126/science.adh1506

 
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