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■張世忠的理論研究發現了冷原子的輸運過程及其自旋擴散的過程。香港文匯報記者李穎宜 攝
港大張世忠埋首冷原子 奪裘槎前瞻科研大獎
香港文匯報訊（記者 李穎宜）冷原子物理是近20多年來急速發展的新興跨學科研究，主要探究物質在接近「絕對零度」的狀態，涉及量子光學、原子物理以及凝聚態物理等方向，而當中的理論與物質的超導現象（superconductivity）息息相關，應用潛能極大。今屆「裘槎前瞻科研大獎」共享得主之一的香港大學物理學系助理教授張世忠，埋首於研究冷原子相關理論，並希望藉以破解導致超導現象的機理，從中開拓更先進的「高溫」超導材料，甚至能在室溫下運作的超導材料。有關技術突破可望應用於更高效的大磁場設備如高速磁懸浮運輸、磁力共振等，更有機會將電力運輸損耗減至接近零，對全球的能源系統帶來革命性影響。
「絕對零度」（Absolute zero）是不少科學家一直想探索的領域，這是物理學中的終極最低溫，是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度的溫標寫成K，約等於攝氏零下273.15度（-273.15℃）。
張世忠的冷原子理論研究，主要在於了解量子系統在接近絕對零度的低溫下的行為，「有關研究適用範圍很廣，如果能在理論上有所突破的話，那麼新的理論可望用來理解高溫超導以及其他強相互作用（strong interaction）體系的物理。」
若室溫可運作 省錢更實用
他指出，冷原子有助開拓新型超導材料的其中一個可行方案。科學家發現，在接近絕對零度的低溫下，物質會出現超級導電或零電阻的特性，相關材料具廣泛用途，例如用於需要大磁場的設備、要求精密細緻的醫療器材，以及低損耗電力運輸系統，但卻局限於必須於超低溫的環境下運作，其冷凍費用甚為昂貴而且極不方便。
過去20多年間，科學家陸續發現不同的「高溫」（相對於絕對零度）超導材料，逐步提高其應用潛力。不過，張世忠直言，學界對當中機理仍然所知不多，屬理論層面上的難題，他希望通過研究冷原子的模型系統，加深對高溫超導機制的理解。
張世忠解釋，高溫超導材料與冷原子體系同樣有很強的相互作用，兩者所涉及的物理關係密切，如利用冷原子設計實驗，就高溫超導材料進行量子模擬，便可嘗試確認高溫超導的原理，「例如我們想知道高溫超導材料中，電流或熱是怎樣傳導的，但因為材料的複雜性，令有關問題極其複雜難以拆解；但在同樣強相互作用的冷原子體系裡面，我們可以利用原子物理的精密測量，仔細研究當中的粒子流或者熱如何傳導。」
研究助破高溫超導機理
張世忠的其中一個研究，在於冷原子的輸運過程及其自旋擴散狀況。其研究團隊所觀察的是鉀原子的自旋，發現如果扭轉空間，自旋會選擇性在空間擴散並變得均勻；透過配合實驗，團隊看到原子在各個自旋形態上的粒子數目會隨着時間而變化，發現自旋擴散的速度是量子力學中允許的最低值。有關發現有助建構關於強相互作用體系下的輸運理論，是破解高溫超導機理的重要一步。
作為一個理論物理學家，張世忠自感很有意思，認為理論物理的定位，「若以一門學科而言，的確要依賴實驗物理的幫助才能證明研究的可行性；但理論物理是不能空想，要落實去思考其理論如何與現實生活聯繫。」張世忠表示今後會更專注於研究當中，有信心於未來開創更多嶄新物理理論。
包括張世忠在內的兩名今屆「裘槎前瞻科研大獎」共享得主，同屬本地科研界的明日之星，他們各可獲得250萬科研基金和180萬元作為協作研究經費，於未來5年在其專業領域內不斷精進，勇敢創新嘗試。
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