本刊記者 劉 賀

相場(chǎng)方法起源于朗道的相變理論，是一種基于體系自由能計(jì)算的動(dòng)力學(xué)方法，上個(gè)世紀(jì)中期曾被用于固體中擴(kuò)散，Spinodal分解等過(guò)程的計(jì)算。80年代初，Khachaturyan發(fā)展了微彈性理論，使相場(chǎng)方法可用于涉及彈性變形的實(shí)際體系中。通過(guò)陳龍慶等人在90年代早期的計(jì)算機(jī)模擬工作，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了它在工程模擬方面的優(yōu)勢(shì)。它可以模擬相變過(guò)程，對(duì)模擬非均勻體系中疇或微觀組織的形成和演化過(guò)程以及材料在非均勻體系中的物理性質(zhì)十分有效。近年來(lái)，相場(chǎng)方法在材料計(jì)算模擬方面正越來(lái)越受到重視，有望發(fā)展成可用于材料和器件工程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬手段。

10多年來(lái)，北京科技大學(xué)物理系馬星橋教授在相場(chǎng)模擬領(lǐng)域不斷進(jìn)取，主持和參與了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，并取得了豐碩成果。他長(zhǎng)期工作在物理教學(xué)的第一線(xiàn)，并曾主管物理系的教學(xué)工作，使物理課的教學(xué)改革和課程體系建設(shè)獲得顯著進(jìn)步。2011年，馬星橋開(kāi)始擔(dān)任北京科技大學(xué)物理系系主任，他積極投入到物理系的學(xué)科建設(shè)、教學(xué)改革和國(guó)家工科物理教學(xué)基地建設(shè)中。以物理系教師為主，申報(bào)“北京市弱磁檢測(cè)與應(yīng)用工程中心”獲得批準(zhǔn)，組織承辦了“2012多次度材料模擬計(jì)算國(guó)際研討會(huì)”，與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所合作，成立了“黃昆班”，聯(lián)合培養(yǎng)半導(dǎo)體領(lǐng)域的高端人才，使物理系有了新的發(fā)展。

面向未來(lái)，馬星橋教授希望在相場(chǎng)方法模擬，特別是磁電介質(zhì)相場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域有著更大的突破。同時(shí)，在教育教學(xué)及學(xué)科建設(shè)方面繼續(xù)做出成就。為國(guó)家培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才。

漫漫求索路

1977年的冬天，中斷了十年的中國(guó)高考制度終于得以恢復(fù)，成千上萬(wàn)的人重拾求學(xué)之夢(mèng)。雖是嚴(yán)寒冬季，可在這些人心里，已燃起熊熊大火。馬星橋就是其中的一員，他如愿考上了北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）物理專(zhuān)業(yè)。從此，開(kāi)啟了物理探索之旅。

經(jīng)過(guò)十年“文革”，高校急缺教師，紛紛興辦師資班。馬星橋成為了北京鋼鐵學(xué)院物理師資班的一員，1982年畢業(yè)后，他留校任教。一年后，他在職攻讀了北京科技大學(xué)和中科院物理所聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生，在物理所磁學(xué)研究室學(xué)習(xí)并從事非晶態(tài)合金磁性、電性和熱穩(wěn)定性的研究。這段求學(xué)經(jīng)歷為他日后的科研方向的選擇奠定了基礎(chǔ)。1986年，馬星橋碩士畢業(yè)，回校后，他兼顧教學(xué)和科研的工作。2000年，馬星橋赴香港理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位，他的博士論文題目是“鋯合金中氫化物在應(yīng)力場(chǎng)中析出形貌的相場(chǎng)方法計(jì)算機(jī)模擬”。鋯合金是一種核結(jié)構(gòu)材料，在使用環(huán)境中會(huì)有氫化物析出，產(chǎn)生滯后斷裂，影響使用壽命。博士論文工作使他對(duì)相場(chǎng)方法有了深入的理解，令他深深喜愛(ài)上這種與工程實(shí)際緊密結(jié)合的計(jì)算方法，從此開(kāi)始了這一領(lǐng)域的探索。學(xué)習(xí)期間，他得到了相場(chǎng)方法專(zhuān)家陳龍慶教授的指點(diǎn)，此后他們的合作一直保持至今。博士畢業(yè)后，馬星橋信守對(duì)母校的承諾，毅然選擇回校任教，并結(jié)合他在磁學(xué)方面的研究經(jīng)歷，把主要科研方向集中在了電、磁材料物理性質(zhì)的相場(chǎng)方法計(jì)算機(jī)模擬上。

馬星橋向記者介紹，很多工程材料由多相形成的微觀組織或多疇結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其宏觀性質(zhì)除了與每一單相的性質(zhì)有關(guān)，還與微觀組織的形貌或疇的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對(duì)材料微觀組織的研究已成為材料研究中不可或缺的一環(huán)，相場(chǎng)方法對(duì)模擬相變過(guò)程中微觀組織和疇的形貌演化十分有效。由于相場(chǎng)方法模擬的結(jié)構(gòu)在介觀尺度，介于宏觀的連續(xù)介質(zhì)尺度和微觀的原子尺度之間，因此，相場(chǎng)方法可作為建立多尺度計(jì)算模型中的重要環(huán)節(jié)。相場(chǎng)方法的另一個(gè)特色是可以計(jì)算多種外場(chǎng)下的耦合作用和不同介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料的物理性質(zhì)。馬星橋在磁電材料相場(chǎng)模擬領(lǐng)域的工作主要集中在多場(chǎng)作用下多鐵材料性質(zhì)與調(diào)控的相場(chǎng)方法研究和自旋轉(zhuǎn)移力矩及自旋軌道耦合對(duì)自旋輸運(yùn)性質(zhì)影響的相場(chǎng)方法模擬與實(shí)驗(yàn)觀察兩個(gè)主要方向，兩個(gè)方向的研究均取得了顯著的進(jìn)展。

豐富了磁電體系的相場(chǎng)方法

2005年，馬星橋課題組與陳龍慶教授合作，開(kāi)始用相場(chǎng)方法研究鐵磁性形狀記憶合金Ni2MnGa的性質(zhì)。他們對(duì)鐵磁性馬氏體贗彈性和偽塑性的特點(diǎn)從外磁場(chǎng)下的磁疇和馬氏體變體耦合的角度進(jìn)行了研究，得到了磁疇和馬氏體變體的原位關(guān)系及其隨外磁場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的演化，這是實(shí)驗(yàn)中很難得到的結(jié)果，加深了人們對(duì)鐵磁性馬氏體超彈性及偽塑性現(xiàn)象機(jī)理的理解。

馬星橋向記者介紹，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變合金因被認(rèn)為是潛在的磁制冷材料而成為研究熱點(diǎn)，它包含磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下反鐵磁馬氏體到鐵磁性?shī)W氏體的相變。自該類(lèi)合金被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，對(duì)磁驅(qū)相變現(xiàn)象的理論研究和機(jī)理探討一直是人們所熱心的課題。磁驅(qū)相變需滿(mǎn)足哪些條件？磁化強(qiáng)度，應(yīng)變等相關(guān)物理量在應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的作用下或者在這些場(chǎng)的耦合作用下將如何變化等都是人們關(guān)心的問(wèn)題。他們新建的相場(chǎng)模型可以模擬反鐵磁相的相變過(guò)程，這種模型過(guò)去還未有過(guò)。他們還利用第一性原理對(duì)該合金體系的相變條件進(jìn)行了研究。該研究有助于揭示磁場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)影響馬氏體相變的的規(guī)律與機(jī)制，豐富了對(duì)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鐵磁性馬氏體相變的認(rèn)識(shí)，對(duì)幫助人們?cè)O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高性能的新材料具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。此外，馬星橋還進(jìn)行了鐵電薄膜，鐵電超晶格及鐵電線(xiàn)與基底耦合，鐵磁薄膜交換耦合作用研究，開(kāi)發(fā)過(guò)多外場(chǎng)作用下鐵電/鐵磁復(fù)合多鐵材料的相場(chǎng)計(jì)算程序，該程序利用GPU計(jì)算，速度比CPU程序提高27倍，結(jié)果在2012多尺度材料模擬計(jì)算會(huì)議上進(jìn)行了報(bào)道。在鐵磁性馬氏體相變方向，他的課題組也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)表了多篇實(shí)驗(yàn)論文。現(xiàn)在，馬星橋課題組在多鐵材料調(diào)控方法研究及其在自旋電子學(xué)器件應(yīng)用方面與陳龍慶教授仍在合作開(kāi)展研究。

馬星橋課題組自2007年開(kāi)始即進(jìn)行了自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）對(duì)自旋翻轉(zhuǎn)及自旋進(jìn)動(dòng)規(guī)律的相場(chǎng)方法及微磁學(xué)方法研究，該研究可以起到對(duì)利用電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的MRAM及納米自旋振蕩器輔助設(shè)計(jì)的作用。他們不但對(duì)電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行了闡釋?zhuān)姨岢隽艘环N實(shí)現(xiàn)四態(tài)存儲(chǔ)的方案及一種實(shí)現(xiàn)磁矩垂直面進(jìn)動(dòng)（OPP）的方案。實(shí)現(xiàn)OPP是提高納米自旋振蕩器輸出功率的一種可行方案。近年來(lái)，自旋軌道耦合效應(yīng)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響正成為研究熱點(diǎn)，有望利用這種效應(yīng)開(kāi)發(fā)出新型的自旋電子器件。馬星橋課題組正在研究既可包含STT作用又可包含自旋軌道耦合作用的相場(chǎng)計(jì)算方法及軟件。與微磁學(xué)方法相比，相場(chǎng)方法不僅可以模擬磁性材料，而且可以加入多種外場(chǎng)（如電場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)）的作用和多種（如鐵磁、鐵電和鐵彈性）材料的耦合，使之成為可用于新的自旋電子學(xué)器件的模擬和輔助設(shè)計(jì)的實(shí)用工具。這是課題組最近的重點(diǎn)研究方向。

教書(shū)育人是教師的光榮使命

馬星橋在從事科研的同時(shí)，也擔(dān)任著教書(shū)育人的工作。他說(shuō)：“我個(gè)人比較喜歡教書(shū)，越教越有感情，培養(yǎng)人才是一件很有意義的事情?！泵慨?dāng)見(jiàn)到從前的學(xué)生，看著他們都有著出色的表現(xiàn)，馬星橋心里甚是欣慰。

在教師崗位上已工作30多個(gè)年頭的馬星橋，始終不忘如何為國(guó)家多培養(yǎng)一些人才。他認(rèn)為，國(guó)家未來(lái)要看下一代人，人才的成長(zhǎng)需靠學(xué)校的培養(yǎng)，教師是培養(yǎng)具有創(chuàng)新性人才的一個(gè)重要因素?！耙粋€(gè)好的老師，本身應(yīng)該具有探索和創(chuàng)新精神，這樣才能有效影響到學(xué)生。而想要做到這一點(diǎn)，教師參加科研工作是最好的途徑?！苯┠陙?lái)，北京科技大學(xué)物理系通過(guò)管理制度的改革，建立了縱向采取學(xué)術(shù)梯隊(duì)，橫向采取課程組的師資隊(duì)伍模式，打破了科研與教學(xué)相分離、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離的局面。梯隊(duì)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)青年教師的科研能力的培養(yǎng)，課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)提高青年教師的教育教學(xué)水平，形成了通過(guò)科研活動(dòng)使教師的學(xué)術(shù)水平和綜合素質(zhì)大大提高，教學(xué)與科研的結(jié)合使教學(xué)內(nèi)容不斷充實(shí)、與日新月異的高新技術(shù)緊密結(jié)合的良好互動(dòng)局面。

馬星橋在美國(guó)做學(xué)術(shù)訪問(wèn)時(shí)曾留意到，學(xué)生對(duì)一些做出高水平科研工作的老師感到非常敬佩，這些老師在教學(xué)過(guò)程中潛移默化地把一些思考方法傳給了學(xué)生?！八麄儾坏讨R(shí)，而且教思想、教方法。走在科技前沿的老師往往能較快地將學(xué)生引領(lǐng)到前沿的研究工作中去，反過(guò)來(lái)，青年人的活躍思想和求知欲，也會(huì)對(duì)教師保持活力產(chǎn)生良好的影響?！瘪R星橋總結(jié)道，“創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，第一要打好學(xué)科基礎(chǔ)，第二個(gè)是使他們能夠比較早地進(jìn)入到高水平的科研組，接觸國(guó)際前沿的工作”。

在美國(guó)與陳龍慶教授（前排左四）課題組成員合影

2013年，北京科技大學(xué)物理系與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作，成立了旨在培養(yǎng)半導(dǎo)體領(lǐng)域高水平人才的“黃昆班”。馬星橋向記者介紹，黃昆先生是我國(guó)著名的固體物理學(xué)家，我國(guó)半導(dǎo)體物理學(xué)的奠基人，他的工作具有廣泛的世界影響。黃昆先生2001年獲得國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。半導(dǎo)體所是中國(guó)半導(dǎo)體方面科研水平最高的單位，半導(dǎo)體所與北科大合作辦學(xué)，旨在探索一條培養(yǎng)高水平人才的新途徑。半導(dǎo)體所派部分老師來(lái)校講學(xué)，畢業(yè)生中保送優(yōu)秀學(xué)生到半導(dǎo)體所深造。目前，首屆黃昆班已經(jīng)本科畢業(yè)，全班25名學(xué)生中有22人保送或報(bào)考了研究生，全部被中科院半導(dǎo)體所、高能所，北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、紫金山天文臺(tái)、北京科技大學(xué)錄取，上研率達(dá)到100%。另外3名希望就業(yè)的學(xué)生也如愿找到自己滿(mǎn)意的工作，全班就業(yè)率也達(dá)到100%。馬星橋希望今后黃昆班能越辦越好，帶動(dòng)物理系半導(dǎo)體物理及其他方向一起發(fā)展。

近年來(lái)，北京科技大學(xué)物理系取得了一系列的好成績(jī)：獲得物理學(xué)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)、國(guó)家工科物理教學(xué)基地、北京市實(shí)驗(yàn)示范中心；《大學(xué)物理》和《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》兩門(mén)課程獲得北京市精品課程，3名教師獲得北京市教學(xué)名師獎(jiǎng)；2012年，以物理系教師為主申請(qǐng)的“北京市弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程中心”獲得批準(zhǔn)……其中均有馬星橋付出的努力。馬星橋是北京市精品課程《大學(xué)物理》、教育部《凝聚態(tài)物理專(zhuān)題》雙語(yǔ)示范課的負(fù)責(zé)人，曾獲寶鋼教育獎(jiǎng)-優(yōu)秀教師獎(jiǎng)，2010年獲得北京市教學(xué)名師獎(jiǎng)，2011年獲政府特殊津貼，2012年成功組織了多尺度材料計(jì)算模擬國(guó)際研討會(huì)。

馬星橋告訴記者，雖然取得了一些成績(jī)，但是與國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的物理院系相比，還有相當(dāng)多需要學(xué)習(xí)和提高的地方。他希望物理系堅(jiān)持基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究相結(jié)合的原則，做出自己的特色。除了繼續(xù)做強(qiáng)原有的學(xué)科方向外，在材料模擬計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，他希望建設(shè)好北京市弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程中心，在半導(dǎo)體等方面有所發(fā)展。

馬星橋現(xiàn)在在科研和教學(xué)中絲毫未有松懈，他總覺(jué)得自己身上的擔(dān)子還很重。他將繼續(xù)在相場(chǎng)模擬計(jì)算及新磁電材料研究領(lǐng)域做一名奔跑者，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奔向更好的未來(lái)。