文/祁晓亮
理论探索与实验预言
高一时，我在学校的图书馆看了一些关于物理学的科普书籍，涉及到基本粒子、宇宙学等方面的内容，我非常着迷，马上就去找了一些物理和数学的大学教材来读，读得越多越觉得自然的奥秘妙不可言，仿佛进入了一个完全不同的世界。从那时起，我就决定了要把理论物理作为一生从事的事业，因为那种“一见钟情”的感觉非常明确。
1999年，我考入清华大学基础科学班。基础科学班为我们提供了优秀的课程、充满热情的学术氛围，以及从大三开始就加入研究组做科研的优越条件，这让我受益颇多，并一直心存感激。
2003年本科毕业后，我在清华大学高等研究中心（现已改名为高等研究院）师从翁征宇教授攻读博士学位，研究方向是高温超导理论。高等研究中心的学术环境自由宽松而又活跃，每年都会有很多访问教授来中心作报告和进行学术交流。翁老师总是鼓励我们和来访问的教授们多讨论、合作，给我们极大的自由度选择自己感兴趣的研究方向。
2004年，在我读博士的第二年，美国犹他大学的吴咏时教授在高等研究中心访问了半年，并且主持了2门课程。受到跟吴老师的讨论的启发，我对自旋电子学产生了兴趣，并且学习了张首晟教授关于自旋电子学的论文。
带着对自旋电子学这一领域的兴趣，2005年初，我在吴咏时老师和我的同学许岑珂（现任教于加州大学圣巴巴拉分校）的引荐下结识了张首晟老师。那一年，我和吴老师、张老师一起合作完成了我在量子自旋霍尔效应方面的第一篇论文。从这篇论文开始，我开始在张首晟老师的指导下，一步步走入拓扑绝缘体这个全新的领域。在这个领域中，拓扑学和简单的绝缘体物理的结合即将带来许多奇妙的新发现。
2007年初，我博士毕业后来到斯坦福大学，跟随张首晟老师做了2年多的博士后研究。期间，我在张老师指导下系统地研究了拓扑绝缘体的物理性质，并进一步把拓扑绝缘体推广到拓扑超导体等新的拓扑量子态。
当时，我们研究的一个主要目的是要找到拓扑绝缘体之所以区别于其他材料的独特性质。经过半年多的努力，我和张老师以及张老师的学生休斯（Taylor L. Hughes）终于从拓扑绝缘体的微观理论中得到了正确的拓扑量子场论描述。我们意外地发现，发展场论描述给我们带来的新知识比我们最初想象的要多很多。我们的理论可以直接应用到任意的空间维度，因此我们将此前对二维和三维拓扑绝缘体的理解推广到了任意维度和具有不同对称性的系统。我们的理论也预言了拓扑绝缘体的独特物理性质——拓扑磁电效应。
在这2年多的时间中，我们还和合作者一起，广泛地研究了拓扑量子态领域的各种问题，如提出了三维拓扑超导体的概念，预言了硒化铋等拓扑绝缘体材料，等等。
对我来说，博士后工作的这2年多是非常充实、非常愉快的时光。这段经历对我的重要性不仅是做出了一系列的研究成果，更重要的是在研究过程中，耳濡目染地向张老师学到了各种科研经验，让自己逐渐成长为一个相对成熟的科研工作者。
在博士生时代，我的主要兴趣在于理论上的思考，对具体材料的细节了解很少，也不太感兴趣。在拓扑绝缘体的研究中，张老师带领我们跨越了截然不同的研究领域。从高能物理中的场论甚至弦理论，到某一材料中电子轨道的细节，都常常成为张老师组会上的话题。对于我们大家都不太熟悉的半导体材料，张老师带着我们一起，一步步地获得对材料性质的深刻理解，并且由此得到新的想法。
经过这几年的研究，我们成功地预言了几种重要的材料，我也消除了自己心理上理论概念和实际实验材料之间的鸿沟。我慢慢理解到：寻找理论概念在实际材料之中的实现，不仅有其本身的重要性，而且对于真正理解这个理论概念也是十分重要的。纯理论的探索和对实验的预言就像理论物理学家的两只脚，必须用两只脚走路才容易把握方向。
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