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国家最高科技奖得主赵忠贤学术生涯(一) 精选

已有 7690 次阅读 2017-1-10 08:43 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

2016年度国家科学技术奖刚刚揭晓,我国著名物理学家、超导专家、中国科学院赵忠贤研究员获得备受瞩目的国家最高科学技术奖。我社《20世纪中国知名科学家学术成就概览》(简称”概览“)收录了赵忠贤的传文。本文节选其传文中主要学术生涯,以飨读者。由于篇幅较长,本期只选取了其中前三部分,后续部分随后奉献给读者。


目录


赵忠贤简介

一、步入科学殿堂的实习生

二、走上探索高临界温度超导体之路

三、研究铜氧化合物高温超导的日日夜夜

四、坚持不懈,梅开二度

五、追求超越,寄希望于青年



赵忠贤 简介



赵忠贤(1941~),辽宁新民人。超导物理学家。中科院院士、第三世界科学院院士、国际陶瓷科学院院士。陈嘉庚国际学会会员,香港中文大学荣誉理学博士。中科院物理研究所研究员。1964年中国科技大学毕业。历任中科院物理研究所超导体材料研究室副主任、超导国家重点实验室主任;中国科学技术协会副主席;世界科技工作者联盟副主席;中国物理学会副理事长;中国发明协会副会长等职。


赵忠贤一直从事低温与超导研究。从1976年起开始探索高临界温度超导体。1987年初与合作者独立地发现了临界温度为92.8K的Ba-Y-Cu-O超导体。2008年他领导的研究小组采用高压方法制备了绝大多数临界温度50K以上的铁基超导体和系列的无氟缺氧铁基超导体,并创造了铁基超导临界温度55K的记录。当前研究方向是新超导材料探索、高温超导电性的机理及应用中的关键技术研究。他获得多项科学奖励:基于对铜氧化合物超导体研究的贡献,获第三世界科学院物理奖(1987),首届陈嘉庚物质科学奖(1988),所在集体获1989年国家自然科学奖一等奖。基于铁基超导研究的贡献,2009年与其他7位学者一起获“求是”杰出科技成就集体奖,2013年获国家自然科学奖一等奖,2014年获何梁何利基金科学成就奖。赵忠贤及其研究集体的工作一直处于国际超导研究前沿,在高临界温度超导体领域作出了重要贡献。他长期致力于推动中国高临界温度超导体的研究,培养年轻学术带头人,促进国内外学术交流,并在科技咨询方面作出了重要贡献。



一、步入科学殿堂的实习生



在中科院物理研究所,赵忠贤被安排在低温室洪朝生研究组(洪先生是室主任),开始了低温物理和超导电性的研究。1964~1966年,他参加了超导计算机器件的研制工作。有经验的同志一对一地带新来的年轻人。几个新同事也自己组织起来学习有关的业务,基本上每天晚上11点之前没有人回宿舍。在分配给他的工作中,他大胆地将半导体的光刻技术应用于金属超导薄膜器件的制备工艺上。也发生过差错,在制备薄膜的时候,一边在唱洪湖水浪打浪,一边水管破裂水流满地的事情。教训促使他把提高实验系统的水准和安全运行放到最重要的地位。


1967~1972年,他参加所里承担的国防任务,这在当时是很光荣的事。不懂就学,院图书馆为他们提供了很好的条件。任务紧,经常加班加点。为联系材料和加工业务,出差也是常事。鉴于那个年代的交通条件,出差是很辛苦的。处于“文化大革命”期间也常遇到意想不到的事。有一次在外地趴在窗台上看街上跳忠字舞,差一点没有被揪出去受教育。作为业务负责人他参与研制出供红外雷达和参量放大雷达所用的微型制冷机。与此有关的工作后来作为物理研究所低温技术成果中的一部分,获得全国科学大会奖励。


1972年,赵忠贤参加国防任务后又转回超导物理研究组。他在“五七干校”劳动和到贫下中农家里受教育一段时间之后被选派出国留学,1974年2月赴英国剑桥大学冶金与材料科学系超导组进修。在剑桥大学,他的指导老师艾维兹博士(J.Evetts)提出了一个供他选择的研究范围,于是他开始了有关第Ⅱ类超导体中磁通流动问题的研究。


在这期间,他基本是独自在实验室进行他的实验,因为是一个人做实验,设备又距离较远,统计下来,差不多以每天近10公里的数量级“奔波”于实验室里,调试设备,观察实验现象和记录实验数据。在不到一年的时间里,他发现了第II类超导体量子磁通线在不可逆运动过程中,从非线性区到线性区转变的临界点和临界电流呈线性关系。最初他的导师艾维兹博士对这一结果很怀疑,因为不知道有多少人做过测量和研究,怎么别人没发现。为了证明普适性,赵忠贤又从实验室可以找到的其他类型的材料做实验,这是被很多小组已经研究很透的合金,能否看到他在上述系统所观察到的现象,是个考验。而且实验既需要实现好的电绝缘,又需要好的热传导,甚至牵涉到了卡皮查热阻的问题。实验室的一位同事建议他用薄的香烟纸作为绝缘体,结果成功了。对此,艾维兹博士说:“如果我的博士生能在三年内做出这样的结果,那就会令我非常满意了。艾维兹推荐他到第十四届国际低温物理学会上报告,因当时的情况,他不能去,由一位同事代为报告。赵忠贤离开剑桥大学后,艾维兹博士在新年贺卡中告诉他,“找到一位博士后继续研究他发现的效应。此工作后来发表在法国一家学术刊物上。这是他公开在国外发表的第一篇学术论文。


赵忠贤离开剑桥大学后又在卢瑟福实验室(Rutherford Laboratory)工作并访问了英国的一些超导研究单位。1975年9月中旬与其他十几位同学乘火车取道欧洲和苏联回国。



二、走上探索高临界温度超导体之路



回国后,老所长施汝为(“文化大革命”后期,施先生虽然还没有恢复所长的位置,但已经可以考虑业务的事情了)专门找他谈话,如果愿意继续剑桥大学的题目也可以,如果做其他方面的研究也好,他会尽力给予支持。这时赵忠贤认为当时所里的实验条件还不适于开展在剑桥大学做的工作。同时,他觉得还是找意义更大些的,“进可攻退可守”的课题。所谓“进”指的是基础和兴趣,所谓的“退”是指万一不让搞基础研究,也可以讲清楚有应用价值的理由。经过所里一些同事的讨论,认为“探索高临界温度超导材料”的研究会更合适。第一,物理内涵丰富,第二,一旦有突破,有非常大的应用价值。从此赵忠贤坚定地走上探索高临界温度超导体之路,直至今日。


经过一段准备之后,1976年3月,他和所里其他研究人员开始在国内联络一些学者,推动探索高温超导研究。赵忠贤他们最初联络的有南京大学、复旦大学、中国科大和中科院福建物质结构研究所的学者,包括吴杭生、蔡建华、龚昌德、周世勋、陶瑞宝、孙鑫、陈创天等,也与卢嘉锡具体讨论过硫-氮环变为链的超导问题。特别是其后与长期从事超导理论研究的吴杭生进行了多次讨论。后来又与长期从事超导研究的张裕恒等学者进行了沟通。在那个时期,学者们对他们的到来是很惊喜的。虽然赵忠贤那时仍然是个研究实习员,但不管怎么说是刚从国外回来。基于对开展科研的共同期望与热情,使得他们很快就形成了对探索高临界温度超导研究的共识。但联络的后果也有很难想象的问题,不仅有能否进行的问题,也有会不会挨批判的问题。那是个特殊时期,在赵忠贤他们跑出去联络国内其他学者的时候,物理所有的人,包括支持探索高温超导的个别人,正在积极地批判胡耀邦等人,甚至把胡耀邦揪到物理所当时最大的会议室批判, 这在当时全科学院都是不多见的。 这个会议室2000年前后被改为 “科学之家”, 英文叫猫头鹰俱乐部 (因为很多人是夜猫子)。 赵忠贤曾开玩笑地对年轻人说“你们要注意呀, 这可是领袖蒙难地”。


1976年10月,“四人帮”被打倒了。12月底,在物理所领导和物理学会的支持下,在很多专家的倡议下,赵忠贤作为积极的组织者在合肥召开了第一届全国探索高临界温度超导体讨论会(第三届以后改为高临界参数超导会议)。他把这样的会议当成探索高温超导的重要交流和合作的平台。坚持每两年召开一次,直到1986年11月的第六届。中间他曾到美国进修,第五届开会之后离开,在第六届会议之前又回国组织。


这六次会议的组织很有意思,学习国际惯例,每次更换主席(最初称为领导小组组长,赵本人当了第五届会议组长,其他几届也都是积极组织者,相当于秘书长的角色)。同时这个系列会议最突出的特点是,坚持平等学术交流,不管地位高低。当时只对年长的学者给予住房优待,其他人都是几个人一间房。在广州的会议期间,出现过把打呼噜的集中一起和在被窝里打老鼠的事情。这些会议对于学术积累和研究合作起到很大作用,正如赵忠贤后来所讲,正是这个群体对结构不稳定性有利于提高超导临界温度的理解,使他认识到柏诺兹(J.G.Bednorz)和缪勒(K.A.Müller)那篇文章的重要性。


1976~1986年初,赵忠贤的科研工作主要涉及:亚稳态超导体材料和非常规超导材料,如A-15结构超导体、夏沃尔(Chevrel)相超导体、非晶超导体和颗粒超导体、氧化物超导体、重费米子超导体等。在这些研究中虽然取得了一定成绩,发表了一些论文,但基本是学习、摸索和积累,开阔了视野。自1977年起,他还多次在杂志上撰文,介绍有关研究的进展和高温超导体研究的意义,有代表性的是发表在«物理»1977年第4期的«探索高临界温度超导体»一文。既有对国际该领域进展的介绍,也有他的观点,特别是关于电声子强耦合相互作用下的临界温度上限可达40~55K问题,其中也提到可能有新的超导机制以及80K超导性等方面的看法。有前瞻性,至今也有一定价值。他也曾与陈创天等人组织过有关理论计算辅助新材料探索的讨论会。1979年,赵忠贤参与组织筹建物理所超导体材料研究室,并担任研究室副主任(李林为主任)。1978年,他和另外两位40岁以下的年轻人被施汝为所长聘为物理所首届学术委员会委员。


1979年,高温超导研究被列为中科院基础研究的重点项目,从而进一步推动了这方面的研究。这是摸索和积累的重要阶段。赵忠贤等人在前人基础上开展了一些研究工作并加强与国际的联系。例如,他们试验过悬浮熔炼制备A15结构的Nb3Si,以及用高压合成的方法制备Y2C3等可能有高临界温度的超导体。在实验条件差的情况下,他们就多做些经验规律的分析工作。赵忠贤与罗启光、朱元贞合作,总结出夏沃尔相超导体的临界温度与半径关系的规律;并预言了一种新的夏沃尔相超导材料———EuMo6S8有较高的(10K)超导转变温度(发表于1980年«科学通报»的中文版)。所预言的这个夏沃尔相材料被美国的实验室证实具有超导电性。对此赵忠贤认为,由于当时国内的杂志在国际上还没有被了解,甚至不知道。美国的小组并不是看到他们的文章才做的。这项工作获得物理所成果奖。


1978年赵忠贤在法国参加十五届国际低温物理会议期间,有幸多次与J.Bardeen教授接触(因为是中国学者刚刚与外界交流,会议主席都给予了特别的安排)。对于Bardeen和他的学生提出的激子超导理论,赵忠贤基于对非晶半导体的了解和参观法国一个大学的实验室的体会,提出了利用“类液态非晶态与类点阵非晶态半导体的界面”实现激子超导的实验途径。Bardeen教授认为是个“good idea”。在这位两次获诺贝尔奖的大人物的鼓励下,他与北京大学的刘福绥和韩汝珊教授合作提出了一种可能的实现激子超导模型,发表在«科学通报»上,并在国际会议上报告。遗憾的是至今也没有实现(不过他仍然不放弃,相信能实现)。


80年代初,“科学的春天”环境激励着研究所的研究人员开展科研的热情和努力,一些中国科大的学生也来实习。赵忠贤指导的一位中国科大少年班学生做的有关超导体钉扎效应的研究工作在中国的«低温物理学报»发表之后,被一位旅美华人教授翻译成英文,在当时美国的一本专门介绍中国物理发展的杂志Chinese Physics上刊登。赵忠贤很感谢这些华人科学家在改革开放后为推动国际交流所作的贡献。在这段时间,中科院各个研究所的业务是由学部指导的,方式是组织学部委员在各所调研指导。马大猷带队视察物理所工作时,黄昆认为赵忠贤他们的研究方向很好,并建议要多与物理图像清楚的搞理论物理同志讨论。美国物理学会前主席马夏克(R.Marshak)到物理所参观访问时,对他们的工作给予了很好评价:“这是一个优秀的研究小组,中美物理交流的人选就要这样的。”


1984年11月至1985年12月,赵忠贤作为访问学者,在美国能源部艾奥瓦州立大学艾姆斯实验室从事零磁场超导管中的磁通湮灭问题研究。期间他与其他小组合作研究非超导的重费米子与金属超导体界面的邻近效应。但是他当时的兴趣仍然是高温超导体。1986年1月至3月,赵忠贤在美国休斯敦大学访问,参加了有关铋酸铅钡氧化物超导电性的短期合作研究。



三、研究铜氧化合物高温超导的日日夜夜



1986年9月底至1987年2月,赵忠贤与物理所同事合作,开始了对高临界温度超导氧化物的研究。这是在国际同行间的一场竞赛中展开的一项重要的科研工作。在这个过程中,赵忠贤及其研究集体以其出色的工作,使他和他的同事跻身于世界著名超导物理学家的行列。


1986年,国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究实验室工作的德国物理学家柏诺兹(J. Georg Bednorz)和瑞士物理学家缪勒(K. Alexander Müller)在自己制备的钡镧铜氧(Ba-La-Cu-O)样品中,利用电阻测量发现了35K超导电性的可能性,其研究成果发表在9月中旬出版的德国«物理学杂志»。但是,这项成果当时并没有得到大多数同行的重视,他们对这一结果仍持怀疑的态度。


9月底,赵忠贤在物理所图书馆读到这篇刚刚发表的论文,意识到了它的价值和意义,并做出了积极的反应。他认为,“在三价铜离子和二价铜离子之间的巡游电子可能导致Jahn-Teller效应在不同铜离子上交替发生,并使相邻晶格交替发生畸变。这种不稳定性可能导致强的电子-声子相互作用,而又不引起结构相变,因而有可能产生高临界温度的超导电性。”于是,他迅速抓住这个机会,找到熟悉变价系统、正在从事快离子导体研究的陈立泉教授,并与其他科研人员合作开始着手研究。


赵忠贤是国际上最早认识到这项工作意义的少数科学家之一。早在柏诺兹和缪勒之前,国际著名杂志«应用物理快报»(APL)1986年4月就发表过一篇临界温度高于40K的氧化合物超导体的文章,但赵忠贤没有相信。使他认识到柏诺兹和缪勒那篇文章的重要性,首先得益于多年全国超导界的积累,早在1982年赵忠贤就曾画出一幅张贴式的供讨论的研究思路图,强调了结构不稳定性可能导致更高温度的超导性ꎻ同时来自于他对超导特有的敏感和热情。在柏诺兹和缪勒的那篇文章中提到了交变的杨-泰勒效应,他意识到这会引起非常强烈的晶格不稳定和电声子相互作用,从而会有更高的超导转变温度。这与中国同行的长期积累密切相关。中国的理论物理学者在强电声子相互作用方面已经发表了很好的文章,这是当时中国超导界的基本共识。中国的同行都很关心高温超导的问题,包括正在澳大利亚访问的蔡建华教授在给赵忠贤一封讨论文章书信的眉批处提醒他注意这篇文章。由于当时国内的实验条件很差,为开展铜氧化合物超导性的研究,赵忠贤曾与国外联系合作研究,尽管联系的这位学者,由于研究发展很快,后来不愿意提起这件事,但是,从这位学者的同事在发给赵忠贤的贺年片中可以看到,他们是根据赵忠贤提议而开展这项研究的。


柏诺兹和缪勒的研究几乎同时也引起了日本和美国等少数科学家的关注和兴趣。然而,由于当时中国的实验条件与国外相比存在着相当大的差距,从当时的一张照片可以看到,他们团队当时自己临时现绕的马弗炉。测量系统也是必须加以改进和重建的。因此,在这场超导竞赛中,中国科学家显然处于劣势。尽管如此,赵忠贤等人仍然满怀激情,全身心地投入其中。在这段日子里,杨国桢所长等也组织大家进行交流和讨论,协调各方面的工作。赵忠贤他们夜以继日地工作在实验室里,困得不行了,就以实验室里的桌子当床,或者在椅子上打个盹儿(他们忙得自己都没有想到把行军床拿到实验室)。当时实验室里没有电话,只是楼道里有一部电话,所以无论白天黑夜,一旦听到电话响就有人往楼道跑。如美国休斯敦大学的朱经武研究组,他们白天打来电话时,由于时差的关系,在国内常常就是深夜或凌晨了。


1986年12月20日左右,他们小组在钡镧铜氧系统重复柏诺兹和缪勒的结果之外,同时看到了70K的超导迹象。这一结果突破了当时超导转变温度理论的上限40K,这个消息在报纸刊登之后,立即引起了国际上的关注和震动,国际超导研究异常活跃起来。包括«参考消息»等媒体也刊登了不少相关报道。遗憾的是结果不稳定,在一次热循环后就消失了。


在接下来的一段时间里,他们全力重复70K的超导。压力很大,国外有人来信要求交流的,甚至有一位学者压他们收回公布的结果。当时小组的同事认为,在一些钡镧铜氧样品中观察到的70K的超导迹象,可能是亚稳态的超导电性。为了获得亚稳态,他们采取了淬火,掺杂等多种方法。那段时间老师和学生的思想都是非常开放的,特别是学生。


1987年初,赵忠贤他们意识到钡镧铜氧(Ba-La-Cu-O)中出现的70K超导迹象很可能是因为稀土材料的杂质影响(使用的稀土原料有的是1956年生产的),于是他们提出了掺杂的想法。而用锶代替钡,在多相的锶镧铜氧(Sr-La-Cu-O)系统中只观察到了起始转变温度为48.6K的超导转变,虽然临界温度挺高并超过了40K的极限,但没有达到70K。只能用稀土掺杂。1987年2月15日,赵忠贤从广播里听到了美国休斯敦大学的朱经武和亚拉巴马大学的吴茂昆获得了转变温度为98K的超导体的新闻。他认为美国的报道是可信的。同时也放下心来(他们观察到的在70K超导性是存在的。数年之后,在观察到70K超导迹象的钡镧铜氧系统也合成出了临界温度达97K超导体,是123结构的),当然他们更加抓紧了对多相材料的研究。他们采用掺杂和替换的方式制备样品,最终在钡钇铜氧(Ba-Y-Cu-O)多相样品中首先观测到了90K的超导性。


1987年2月19日深夜,他们研制出第一块在液氮温区稳定的钡钇铜氧超导体,零电阻温度为78.5KK时,超导磁转变温度为92.8K,起始临界转变温度在100K以上。23日,他们研制出第二批样品,由此证明了制造工艺的可重复性。在这个过程中,赵忠贤曾连续48个小时几乎没有睡觉。


1987年2月21日,«科学通报»接收赵忠贤等人的研究论文。24日,中科院数理学部召开新闻发布会,宣布赵忠贤及其研究组的工作并公布了钡钇铜氧化合物新体系。25日,新华社和«人民日报»发表新闻,首次在国际上公布了这个液氮温区超导体的成分。他们的工作结果极大地推动了国内外高临界温度超导体的研究。


赵忠贤他们集体的工作及成果是中国在凝聚态物理方面少有的与诺贝尔奖密切相关的工作。90K超导体的快速发现,使缪勒和柏诺兹1986年的工作意义凸显出来,他们的工作发表刚刚一年就获得了1987年诺贝尔物理学奖。1987年诺贝尔奖委员会在授奖公报中就提到了中国的工作。1987年暑期缪勒在日本参加国际低温物理会议之后专程到物理所访问,并在他和柏诺兹参加诺贝尔奖授奖活动期间专门接受了«中国科技日报»记者的采访。他对赵忠贤小组的工作给予高度的评价,指出“赵教授及其同事们的研究成果是举世瞩目的,感谢他们为世界科技的发展和超导研究作出了重要贡献”。此外,缪勒教授还在一些国际会议上多次指出,赵忠贤小组所注意到的掺杂对超导电性的影响对于发现新超导体具有重要的意义。


1991年7月,缪勒在日本第三届国际超导会议上所做的题为“The First Five Years of High-Tcsuperconductivity”的报告中指出,是朱(经武)的高压工作和赵(忠贤)对杂质的注意这两个不同方面的研究导致了液氮温区氧化物超导体发现。


赵忠贤他们集体的工作得到国内外极大关注和高度评价。他们的工作不仅促进了中国的超导研究,使中国的超导研究从此跻身国际超导领域的前沿,而且大大提升了中国物理学界的国际地位。国内的老一代科学家和在国外的华裔科学家都为他们的工作感到振奋。彭桓武曾写过一首词«喜迁莺»抒发了他和老一代科学家的感想,并亲笔书写给了赵忠贤:“去复还,研兼教,几代师生耕造,为中华物理生根。超导贺高温”。


1987年3月,赵忠贤作为五位特邀报告人之一,在纽约举行的美国物理学会年会上,报告他们研究组的高温超导研究结果。当时,主持氧化超导体专题报告会的美国物理学会凝聚态物理学部主任、康奈尔大学教授Neil W.Ashcroft首先介绍专题报告者———K.A.Müller、S.Tanks、朱经武、赵忠贤、 B.Batlogg,当他激情地高声说道,“这几位是启动高温超导研究的代表”时,会议大厅内外立刻爆发出雷鸣般的掌声。赵忠贤和陈立泉代表中国小组参加了会议。赵忠贤在代表小组的报告中如实地介绍了他们的认识和工作,特别指出,是柏诺兹和缪勒他们打开了这扇窗户。1987年美国«科学»杂志撰文介绍国际高温超导研究新发现,其中包括赵忠贤等人的工作,并在文章中专门刊登了赵忠贤的照片。


1987年初的高温超导发现使赵忠贤及其研究集体跻身于国际超导研究的前列。多次被邀请参加会议和做特邀报告,并访问贝尔(Bell)等一些著名的实验室,学术交流收获良多。赵忠贤认为,改革开放对中国科学发展的影响是极其深远的,超导研究即是其中的一个例子。虽然80年代国际通信联系和交流还不正常,但是开放这一大趋势极大地推动了国际交流和合作。1987年7月他代表小组在意大利特里亚斯特的重要国际会议上报告他们的工作。1988年8月,赵忠贤应美国德雷克塞尔大学国际会议组织者邀请作大会报告,同时受IBM研究中心David.R.Clarke的邀请访问IBM的实验室。由于是临时安排,竟在餐厅用广播的形式通知有兴趣的学者与之联系讨论时间表。由于当时中国杂志还没有被国外了解,引用很难,个别学者在文章中竟引用«人民日报»的消息作为文献。当然也有学者在书中对发表的文章给予引用,如,哈佛大学M.Tinkham教授的超导经典教科书«超导电性引论»和美国物理联合会出版的超导发展史方面的著作«超导电性»等。


鉴于赵忠贤在高温超导体研究中的突出贡献,1987年他被授予第三世界物理学奖,并当选第三世界科学院院士。9月,第三世界科学院院长A.Salam在人民大会堂为他授奖。1988年,赵忠贤荣获首届陈嘉庚物质科学奖,香港中文大学授予他荣誉理学博士。此外,赵忠贤所在研究集体还获得了1988年中科院科技进步特等奖,1989年国家自然科学奖一等奖。1989年赵忠贤当选国际陶瓷科学院院士,1991年当选中科院学部委员(院士)。


撰写者


李真真(1956 ~ ),中科院科技政策与管理科学研究所研究员。



本文摘编自陈佳洱主编的《20世纪中国知名科学家学术成就概览·物理学卷·第三分册》一书中李真真撰写的《赵忠贤》传文部分内容。内容有删减。


ISBN 978-07-03-042944-5


国家重点图书出版规划项目《20世纪中国知名科学家学术成就概览》以纪传文体记述中国20世纪在各学术专业领域取得突出成就的数千位华人科学技术和人文社会科学专家学者,展示他们的求学经历、学术成就、治学方略和价值观念,彰显他们为促进中国和世界科技发展、经济和社会进步所作出的贡献。


《20世纪中国知名科学家学术成就概览·物理学卷》第三分册收录了43位物理学家和教育家的传文,卷末附学科发展大事记,与传文两相印照,从而反映出中国物理学科的百年发展脉络。


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