作者:裴宸纬 来源:科技日报 发布时间:2023/7/27 19:19:50
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如何设计优异量子材料?他钻研20年才略懂皮毛

 

如何发现和设计性能优异的量子材料?这是北京理工大学教授、物理学院院长姚裕贵钻研了20多年的问题,但他却说“直到今天也才略懂皮毛”。

走进这位凝聚态物理“老兵”的办公室,向里望去,这间办公室最吸引记者的地方是铺满一面墙的书柜。除此以外,办公室只有两张吊椅、一张用实验桌改造成的办公桌椅。“有时在办公室工作到晚上,就睡在吊椅上。”姚裕贵说。

他在这间办公室,乐此不疲地研究着外人看起来枯燥乏味的量子材料。

5月12日,物理学学术期刊《物理评论快报》刊发了姚裕贵团队与外国合作者的研究成果,该研究通过实验观测到了锗烯中的量子自旋霍尔态及拓扑相变,证实了他们10多年前的理论预言,为未来设计基于拓扑量子材料的低能耗电子器件提供了可能性。该文被选为该期期刊的封面文章并被编辑推荐。同月,姚裕贵被授予北京“最美科技工作者”称号。

新型材料“预言家”“设计师”

如果说物理学是“科学王冠上的明珠”,那么凝聚态物理无疑是物理学这颗明珠上璀璨的一束光。

“凝聚态物理的研究范围十分广泛。通俗地说,它研究的是构成凝聚态物质中的电子、离子、原子、分子的运动形态和规律。”姚裕贵说,他既研究常见的物质,如平常的半导体材料,也研究不常见的物质,如新型的拓扑量子材料,这些都在他的研究范围内。

姚裕贵通过计算和理论研究的方式研究凝聚态物理。他会从微观原子尺度出发,根据材料的元素构成和原子结构预测其性质、解释其内在的物理机制;或者通过计算机计算的方式不断优化这些材料的功能,使之在更低成本的条件下发挥功能。

“比如,量子计算机需要在极低温、强磁场等苛刻条件下才能运行。如果我们将拓扑材料和超导材料结合运用到量子计算机的制造过程中,它就可能在更高的温度下工作,降低使用成本。我们的工作,就是要证明这种材料在制造上的可行性,为其大规模制造开辟道路。”姚裕贵说。

但鲜为人知的是,被业界称为新型材料“预言家”“设计师”的姚裕贵,在上大学前,竟连研究工具——计算机都没见过。

高中毕业后,姚裕贵出于热爱报考了物理专业。“读大学时,正值计算机在中国普及,我出身农村,上大学前没见过计算机。看到它后,我立刻萌生了自学计算机的念头。”他回忆道。

就这样,他一边学物理,一边自学计算机。在经历了“没有什么挫折”的本科和硕士阶段后,他如愿读了博士,将力学作为自己的主攻方向。

然而,在博士一年级时,本想着能顺利拿下博士学位的姚裕贵,却遇到了难题:他的导师由于种种原因不能继续带他,他不得不更换研究方向。

在博士阶段更换方向,意味着一切要从零开始。“这就好比你已经快爬上一座山的山顶,却又不得不下山,再去攀登另一座高山。当时,我压力很大。”姚裕贵坦言,“当时,我有的同学已经出了很多成果,但我那时还没有任何成果,甚至连方向都没确定。”

怎么办?姚裕贵用两个字给出了答案:“刻苦”。“我当时没想那么多,只想着不能在攻读博士学位的路上半途而废。”他说,“我将所有精力都投入到了学习上,几乎废寝忘食,总算赶上了同学们的进度。”

寻找低能耗导电材料

如何研发出低能耗、体积小的电子器件,一直以来都是困扰半导体和信息产业发展的难题。一些科学家希望通过优化芯片架构等方式实现这个目标,还有一些科学家给出了一条截然不同的道路:用性能更优异的材料制造芯片。姚裕贵从事的工作之一,便是寻找这种材料。

要寻找这种材料,首先要对低功耗量子效应的物理原型有更加深刻的认识。反常霍尔效应是磁性材料中最基本的输运现象之一,它不仅是诸多低功耗量子效应的物理原型,也是拓扑量子物态的重要基石。然而,在20余年前,凝聚态物理学界只知道反常霍尔效应的几种机制,却并不清楚哪种机制占主导地位,更没人从定量的角度写程序去计算,“因为它太复杂了”。

姚裕贵下决心要啃这块“硬骨头”。他注意到计算机强大的计算能力,决定要编写一个程序计算反常霍尔效应。

“这是一项开创性工作。当时世界上还没人做过反常霍尔效应的计算,我也没有专门学过编程。”姚裕贵回忆道,为了进行这项工作,他分析了10万余行代码,又自己摸索编程平台的用法,熬过了不知多少个日日夜夜。

这个程序,姚裕贵写了近两年。2003年某天,一个灵感忽然闪过,他感觉豁然开朗。程序完成后顺利通过测试,姚裕贵颠覆了当时学界数十年来对反常霍尔效应“外在机制占主导,内禀机制不重要”的传统看法,推动了该研究迅速发展。年轻的姚裕贵也因此在凝聚态物理界“小有名气”,他的部分成果还被编入了国外主流教科书。

不过,姚裕贵没有止步于此。他进一步思考:既然明白了原理,能否运用这些原理,在理论上设计出一种低功耗的导电材料?

他首先将眼光瞄向了前人研究较多的石墨烯。该领域权威学者曾提出,纯石墨烯中自旋轨道耦合能隙约为毫电子伏特量级,但姚裕贵大胆质疑这一点,通过深入的理论分析和精确计算,发现石墨烯的自旋轨道耦合能隙约为微电子伏特量级。

“如果在这个尺度上做实验观测量子自旋霍尔效应,你会发现怎么也观测不到。”姚裕贵说,“后来别人的研究也同样表明石墨烯的自旋轨道耦合能隙确实很微小。”微电子伏特量级比毫电子伏特量级整整低了3个数量级,这意味着若以石墨烯材料作为低功耗导体材料,需要将它置于极低的温度下运行,这不具备可行性。

“我们希望这种材料及量子自旋霍尔效应能够在更高的温度下运行,这就需要这种材料具有起伏的结构和更大的原子自旋轨道耦合强度。”姚裕贵将眼光投向了类石墨烯材料。2011年,姚裕贵等人在国际上首次指出类石墨烯材料——硅烯、锗烯、锡烯是二维拓扑绝缘体,并预言了它们拥有更大的能隙。如果预言被证实,就意味着类石墨烯材料有成为低功耗导体材料的可能。

这个预言,在12年后——2023年才被部分证实。姚裕贵这一等,就是12年。

12年中,许多人曾对这个预言表示质疑,但姚裕贵始终坚定信念。

为基础研究创造更好环境

姚裕贵常说,他所从事的基础研究工作,是在“打地基”。他认为,基础研究出成果慢、研究周期长、有很大的不确定性,常常需要坐数年的“冷板凳”,可一旦有成果,就可能产生颠覆性影响。“做基础研究需有甘坐‘冷板凳’的精神,要持之以恒。”他说。

但姚裕贵也理解如今年轻人所面临的压力。“年轻人面临着很大的生活和学业压力,也渴望找到自己的位置。”他说。

这些年,身为北京市政协委员的姚裕贵一直在奔走呼吁,希望为投身基础研究的年轻人创造更好的环境。“我认为,社会应该对科学家和科学研究有更高的容错度。”他表示,物理学、乃至所有基础学科和基础研究,需要全社会的理解与支持。

为此,姚裕贵一直在推动北京理工大学物理学院作为全国科普教育基地的建设工作。“科技创新和科学普及是实现创新发展的两翼。我希望通过这种科普,提升全民科学素质,让民众理解科学家的工作,同时吸引优秀人才。”姚裕贵亲自挂帅,担任该科普基地主任,并试图将科普教育融入现在的本科生和研究生教育中。迄今为止,北京理工大学物理学院科普基地已举办各类公益讲座百余场,服务线上线下公众200多万人次。

谈到未来,姚裕贵充满干劲。“干我们这一行,一般都是活到老、学到老、干到老,我也不例外。今后几年,我希望在量子材料领域取得更大突破。”他说。

(原标题:姚裕贵:“凝”神“聚”气设计量子材料)

 
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