2024年“科学探索奖”获奖人介绍｜数学物理学领域

科学探索奖 2024

Xplorer Prize 2024

2024年，49位青年科学家从1012名申报者中脱颖而出，获得“科学探索奖”的资助。今年的获奖人名单可谓亮点纷呈，多元化、年轻化、不遗余力促创新，印证着我国基础科研正生机勃发。我们将分10个领域（数学物理学、化学新材料、天文和地学、生命科学、医学科学、信息电子、能源环境、先进制造、交通建筑、前沿交叉），陆续推出对2024年获奖人的详细介绍，敬请关注。

Xplorer Prize

获奖人：卢海舟

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代表性成果

电子输运是现代信息技术的基石。以量子霍尔效应为代表的拓扑物质，由于具有无耗散导电通道等奇异物性，是凝聚态物理的重要研究方向，深刻地改变了物理学研究的范式，有希望推动下一次信息技术革命。卢海舟与合作者系统发展了拓扑物质的量子输运等物性理论，包括量子霍尔效应在无磁场、高维度、非线性等方面的推广，以及磁性和超导系统中的拓扑物性，解释了一系列反常实验现象, 发展的多个有效模型和公式被广泛应用。特别是他与合作者发展了仅有的两类被实验验证的三维量子霍尔效应的理论，改变了三维不会有量子化的认知，为三十年的探索开辟了新路。

未来研究方向

物理学关乎物质和时空的基本原理，时空观一直贯穿物理学的研究。从牛顿时代开始，被坚信的公理是物性和惯性系的选择无关。爱因斯坦的相对论用时空弯曲深刻地改变了对引力的认知。最近发现很多拓扑量子系统的非平庸的物性与量子态构成希尔伯特空间的时空几何有关，这些是巧合还是排他的描述？卢海舟希望通过系统的研究, 对非线性输运、非常规超导、分数绝缘体等凝聚态物理的前沿领域和难题提供新思路，帮助构建拓扑物性的量子几何时空观。

获奖人：单芃

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代表性成果

双仿射Hecke代数是李理论中的重要研究对象。它的表示理论与仿射李代数的表示、可积系统、辛奇点消解的量子化、拟不变量的研究、MacDonald多项式等均有紧密的联系。单芃与合作者通过发展范畴化和最高权范畴理论，解决了关于分圆双仿射Hecke代数单模特征的Rouquier猜想, 关于其范畴O的Koszul对偶性的Chuang-Miyachi猜想，关于这类代数有限维表示个数的Etingof猜想。这一系列成果完整地解决了关于分圆双仿射Hecke代数表示的若干基本问题， 也为研究更一般的辛消解量子化的表示理论提供了范例。

在表示与几何的联系方面，她与合作者探索了多个表示范畴中心与代数簇上同调的联系，建立了分圆箭图 Hecke代数的中心与Nakajima箭图流形的上同调的同构，小量子群分次表示范畴中心与仿射Springer纤维上同调的同构。

未来研究方向

将深入研究单仿射顶点代数及其W代数的表示与仿射Springer纤维的联系，试图建立该类顶点代数的表示范畴的新的几何模型。同时，她还将探索Skein代数与Coulomb分支的联系及其范畴化。这些研究将为以四维超共形场论为背景的顶点代数和Skein代数的研究提供新的视角。研究成果有助于推动对顶点代数的表示范畴的刻画及其伴随流形的研究，以及对Skein代数的范畴化和它的典范基的研究。

获奖人：向红军

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代表性成果

同时具有铁电性和铁磁性的多铁性体系是近20年来凝聚态物理的重要研究方向。如何通过理解多种铁性共存和相互耦合的机理，从而获得具有强磁电耦合的室温多铁性材料是该领域的研究核心。向红军及合作者建立了磁电耦合的统一模型，给出了磁致多铁性的完整物理图像，并建立了计算磁相互作用及磁电耦合强度的四态法，基于模型和方法发现了多种多铁性新机制。建立的模型和方法为研究多铁性机理和设计多铁性材料提供了有效手段，已得到了国际同行的广泛认可和采用。固体物理中的诺依曼原理指出晶体的任何宏观物理性质必须满足该晶体的点群对称性，该原理将铁电性严格限制到不存在中心反演对称性的极性点群当中。向红军等人提出了分数量子铁电性新概念，发现20个非极性点群中可以存在铁电性，突破了铁电性只能在10个极性点群中存在的传统认识。分数量子铁电性不仅大大地拓展了铁电的范畴，而且由于其不要求破坏体系的中心反演对称性，因此容易与铁磁性共存和耦合，进而有望实现高性能室温多铁性。

未来研究方向

将探索强光场下物质新状态及磁电耦合新机制、并设计性能优越的磁电材料。目前多铁性领域面临的最大挑战之一就是缺乏高性能多铁性材料。强光场不仅可能诱导出全新的磁电量子态，而且可高效调控体系的磁电性质。在强光场与物质相互作用方面的研究成果不仅将建立强光场与物质耦合的新物理图像，发现强光场下全新磁电物态和耦合规律，而且将打开非平衡物理和量子物理的新视野，为量子科技发展指明新方向。设计出的高性能多铁性材料将解决多铁性领域的巨大挑战，开启多铁性材料大规模应用的新时代。

获奖人：杨晓菲

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代表性成果

近30年来，人类可达的核素版图向不稳定核区不断扩展，涉及强作用量子多体结构、天体重元素起源、攀登超重元素稳定岛路径、CP(电荷-宇称)对称性破缺等多个重大科学问题，以及核能核医学等国家重大战略需求。杨晓菲采用多学科交叉的激光核谱超精细测量方法，开展了不稳定核的奇特结构研究，例如与合作者提出和首次采用了β衰变标记的激光核谱方法, 实现了极弱束流条件下丰中子核性质测量和研究，发现了中子新幻数N=32的反常特征。幻数是传统核结构壳模型的基石，不稳定核中出现的新幻数是当今国际热点问题。此研究的发现是丰中子核区出现的又一奇特现象，改变了对丰中子核新幻数的认知。

未来研究方向

正反物质不对称的起源是当今宇宙的最大谜题之一。CP(电荷-宇称)对称性破缺被认为是解释宇宙中正反物质不对称的必要条件之一。低能标下原子、分子及原子核等系统中永久电偶极矩的寻找，是探索CP对称性破缺的重要手段之一。含八极形变重核的多原子放射性分子具有测量电偶极矩的巨大优势，但目前仍存在基础谱学数据欠缺等问题。杨晓菲基于近年来在国内发展起来的实验室平台和技术设备基础，提出发展全套新方法用于实现多原子放射性分子的在线产生和超精细谱学信息测量。这将为后续基于多原子放射性分子的电偶极矩测量奠定关键基础。该技术也将在多领域研究和应用发挥独特作用。

获奖人：姚方

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代表性成果

随着科技进步，结构复杂并随时间或空间变化的大规模数据涌现于生物医学、工程环境、经济金融的各个领域，使其成为现代统计学研究热点。姚方对具有函数变化特征的大数据统计分析提出了更有效的估计方法和理论，建立了处理稠密和稀疏观测函数型数据的统一框架，成为该领域的标志性成果。在此基础上建立了时空交互作用的可分性检验、对离散采样下带有噪声的函数型数据特征函数在发散维度下估计的收敛速率取得理论突破；进一步对具有黎曼流形结构的时变数据建立了内蕴估计的统计学基础；对实时数据流建立动态窗宽更新的非参数回归与广义可加模型的在线估计算法与理论，可达到与使用全部数据的传统方法相近的精度；对高维时变数据建立了动态主成分分析方法，并提出时变高维矩阵的动态恢复算法。成果不仅被学术界重视与认可，也被应用于儿童自闭症分析、气候环境随时间空间变化、高速公路多帧光纤信号的研究，将有助于高维生物数据、脑图像与疾病关系、电子商务、智能出行与制造等领域的研究。

未来研究方向

诸多科学领域中的海量数据通常都具有结构复杂、生成演化受到物理规律约束或驱动等特点，而现有法面临着计算困难或缺乏可解释性等缺陷。姚方将深入探索如何利用深度神经网络等现代机器学习技术，建立机理驱动的统计学基础理论与方法，对潜在的科学规律进行判断和预测。针对物理规律认知中可能存在的不确定或不准确性，构建一类全新的神经网络半参数微分方程模型，利用深度学习的强大拟合能力对未知混杂因素建模，将半参数统计学框架与微分方程模型相结合。为保证该模型的有效性和可靠性，将研究神经网络高度非凸非线性对统计学基础理论的挑战，建立严格的基于神经网络和机理驱动的模型选择理论，研究如何量化模型预测结果的不确定性，并结合模型估计的误差给出预测结果的置信区间等。我们将针对气象卫星数据反演和海洋混合过程参数化的应用场景，建立高效实用的模型框架和算法，通过分析该领域中关注的科学问题，验证所提出方法的有效性，并落地与实际需求。

获奖人：周树云

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代表性成果

二维材料具有新奇的物理效应和丰富的光——物质耦合作用，其电子结构及能带调控是核心物理。周树云在二维材料及异质结的电子能谱、能带调控及超快动力学实验研究方面取得进展。基于自主研制的先进泵浦光源及超快时间分辨角分辨光电子能谱仪，在半导体黑磷中实现了强场脉冲激光导致的瞬时能带调控。该成果实现了周期光场驱动的弗洛凯能带调控，为探索光致新奇物态调控奠定了重要科学基础。

未来研究方向

超短脉冲激光除了作为非平衡态超快动力学过程的探测手段，还可作为新型调控手段，在超快时间尺度上实现物质中电子态的相干调控，进而实现超越原体系的新物态。周树云将探索二维材料及拓扑材料的非平衡态超快动力学和光致新奇物理效应，尤其是致力于实现周期光场驱动的瞬时能带调控和瞬态相变。相关研究不仅对揭示关键物理机制具有重要意义，而且还将为未来高速器件的开发奠定科学基础。

Xplorer Prize

2024年“科学探索奖”数学物理学获奖人合影

关于科学探索奖

“科学探索奖”于2018年设立，是一项由新基石科学基金会出资、科学家主导人才遴选的公益奖项，是目前国内金额最高的青年科技人才资助项目之一。

“科学探索奖”评审委员会将每年遴选出不超过50名、年龄不超过45岁（2024年起，女性申报人年龄放宽到48岁）、在中国内地及港澳地区工作的青年科技工作者，鼓励他们心无旁骛地探索科学“无人区”。每位获奖者将连续5年、获得总计300万元资金。

2022年起，“科学探索奖”新增医学科学领域，共设10大领域，包括数学物理学、化学新材料、天文和地学、生命科学、医学科学、信息电子、能源环境、先进制造、交通建筑、前沿交叉。

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