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物理学前沿讲座：准晶启示录——五重对称之谜

刘泽鹏

      2018年4月12日晚，应国科大物理科学学院物理系原子分子物理与光学教研室金奎娟主任的邀请，中国科学院院士、美国光学学会会士、南京大学物理系祝世宁院士在雁栖湖校区教1-207教室，为我院师生带来一场题为《准晶启示录——五重对称之谜》的精彩学术报告。二百余名师生聆听了报告。

      祝院士从宇宙中充满的对称性谈起，生动形象地展示了随处可见的几何对称和在艺术、科学中同样重要的非对称性。“世界源于对称，妙于对称破缺”，通俗风趣的开启了五重对称揭秘之旅。

      常见的NaCl晶体结构和金刚石结构，一般具有平移、旋转对称性等有序性。对称轴只能为1、2、3、4、6次旋转轴。1982年4月8日Shechtman在Al-Mn合金快速冷却样品的电子衍射花样中观测到明锐的十重对称衍射斑点，其实验图像、观测数据和日期都被完整地保留下来。而后Shechtman通过不同角度的观测发现2、3、5重对称性，从而最终推断出其为正二十面体（五重对称）的晶体结构。正二十面体结构由13个原子组成，12个占据正三角形的顶点，余下一个在体心。而且衍射图像还存在大小各异的五边形，相近大小五边形的比例恰好是1.618的黄金比例。但是这一发现备受学术界的质疑而被退稿，直到2年后的1984年11月才在PRL上发表。文章指出该材料具有长程有序，正二十面体，无平移对称性的相。仅在1个月后，Levine和Steinhardt在PRL的文章不仅从理论上证明其正确性，还首次提出了“准晶体”的概念。当时认为该结构是具有三维空间的Penrose拼图，即通过两种菱形（dartkite）铺满平面。Mackay受Penrose拼图启发，虽寻找材料未果，但是为准晶发现提供帮助。数学家更是指出准晶是六维晶体在三维空间投影。

       从该电子衍射花样中出现的黄金分割比，到三维空间Penrose拼图周期结构。从著名的Fibonacci数列，到准晶概念的提出。从Shechtman在发现准晶时完整记录实验观测数据和日期的严谨习惯，到他在如此之多的怀疑面前坚持真理的小故事。从中国科学家在特殊历史时期，在准晶材料研究工作方面的不懈努力，到准晶蕴含的准周期光学超晶格在激光器方面的应用，如多波长激光倍频，耦合参量过程实现激光三倍频等。五重对称之谜徐徐展开，各种物理数学知识点深入浅出，互相引申，互相启发，互相印证，趣味盎然。最后，祝院士鼓励同学们“不迷信权威，勇于坚持”，分享了“交叉是新知识的源头”等心得，并以《庄子·知北游》中“天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说。圣人者，原天地之美而达万物之理。”结束了本次精彩的讲座。

       讲座结束后，同学们踊跃提问，比如准晶能带处理计算，准晶与非晶的衍射图像差异判别方法等问题，祝院士耐心一一作了详细的解答。在学习准晶材料知识的同时，同学们深深感受到祝院士不懈探索的精神、融会贯通举重若轻的科学大师风范，受益良多。

       祝世宁，南京大学教授，博士生导师, 中国科学院院士，美国物理学会会士(APS fellow)、美国光学学会会士(OSA fellow)，中国光学学会会士；南京大学物理系获硕士、博士学位；现任南京大学学术委员会副主任，南京大学物理学院、现代工程与应用科学学院学术委员会会主任；江苏省科协副主席，江苏省物理学会理事长；中国物理学会常委理事、固体缺陷专业委员会主任；教育部科技委委员，国家纳米科学技术指导协调委员会委员、专家组成员；《国家科学评论(NSR)》数理专题编委《中国科学》、《科学通报》编委等职。曾任南京大学物理系主任、物理学院院长，南京大学现代工程与应用科学学院筹建组长等职。长期从事微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学方面的研究，在微结构材料的设计、制备、性能表征、新效应研究和器件研制方面取得系统成果，拥有国际、国家发明专利20余项，在Science(科学)、Nature(自然)、PRL(物理评论快报)等国际高水平学术刊物上发表SCI论文400 余篇。与合作者一起完成的研究成果三次获中国基础研究年度十大新闻，二次被评为中国高校年度科技十大进展；作为主要完成人之一所完成的“介电体超晶格的设计、制备、性能与应用”项目获2006年国家自然科学一等奖。