如何發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的量子材料？這是北京理工大學(xué)教授、物理學(xué)院院長(zhǎng)姚裕貴鉆研了20多年的問(wèn)題，但他卻說(shuō)“直到今天也才略懂皮毛”。
【資料圖】
走進(jìn)這位凝聚態(tài)物理“老兵”的辦公室，向里望去，這間辦公室最吸引記者的地方是鋪滿(mǎn)一面墻的書(shū)柜。除此以外，辦公室只有兩張吊椅、一張用實(shí)驗(yàn)桌改造成的辦公桌椅?！坝袝r(shí)在辦公室工作到晚上，就睡在吊椅上?！币υＹF說(shuō)。
他在這間辦公室，樂(lè)此不疲地研究著外人看起來(lái)枯燥乏味的量子材料。
5月12日，物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》刊發(fā)了姚裕貴團(tuán)隊(duì)與外國(guó)合作者的研究成果，該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了鍺烯中的量子自旋霍爾態(tài)及拓?fù)湎嘧?，證實(shí)了他們10多年前的理論預(yù)言，為未來(lái)設(shè)計(jì)基于拓?fù)淞孔硬牧系牡湍芎碾娮悠骷峁┝丝赡苄?。該文被選為該期期刊的封面文章并被編輯推薦。同月，姚裕貴被授予北京“最美科技工作者”稱(chēng)號(hào)。
新型材料“預(yù)言家”“設(shè)計(jì)師”
如果說(shuō)物理學(xué)是“科學(xué)王冠上的明珠”，那么凝聚態(tài)物理無(wú)疑是物理學(xué)這顆明珠上璀璨的一束光。
“凝聚態(tài)物理的研究范圍十分廣泛。通俗地說(shuō)，它研究的是構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)中的電子、離子、原子、分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律。”姚裕貴說(shuō)，他既研究常見(jiàn)的物質(zhì)，如平常的半導(dǎo)體材料，也研究不常見(jiàn)的物質(zhì)，如新型的拓?fù)淞孔硬牧希@些都在他的研究范圍內(nèi)。
姚裕貴通過(guò)計(jì)算和理論研究的方式研究凝聚態(tài)物理。他會(huì)從微觀原子尺度出發(fā)，根據(jù)材料的元素構(gòu)成和原子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其性質(zhì)、解釋其內(nèi)在的物理機(jī)制；或者通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算的方式不斷優(yōu)化這些材料的功能，使之在更低成本的條件下發(fā)揮功能。
“比如，量子計(jì)算機(jī)需要在極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等苛刻條件下才能運(yùn)行。如果我們將拓?fù)洳牧虾统瑢?dǎo)材料結(jié)合運(yùn)用到量子計(jì)算機(jī)的制造過(guò)程中，它就可能在更高的溫度下工作，降低使用成本。我們的工作，就是要證明這種材料在制造上的可行性，為其大規(guī)模制造開(kāi)辟道路?！币υＹF說(shuō)。
但鮮為人知的是，被業(yè)界稱(chēng)為新型材料“預(yù)言家”“設(shè)計(jì)師”的姚裕貴，在上大學(xué)前，竟連研究工具——計(jì)算機(jī)都沒(méi)見(jiàn)過(guò)。
高中畢業(yè)后，姚裕貴出于熱愛(ài)報(bào)考了物理專(zhuān)業(yè)?！白x大學(xué)時(shí)，正值計(jì)算機(jī)在中國(guó)普及，我出身農(nóng)村，上大學(xué)前沒(méi)見(jiàn)過(guò)計(jì)算機(jī)?？吹剿螅伊⒖堂壬俗詫W(xué)計(jì)算機(jī)的念頭?！彼貞浀?。
就這樣，他一邊學(xué)物理，一邊自學(xué)計(jì)算機(jī)。在經(jīng)歷了“沒(méi)有什么挫折”的本科和碩士階段后，他如愿讀了博士，將力學(xué)作為自己的主攻方向。
然而，在博士一年級(jí)時(shí)，本想著能順利拿下博士學(xué)位的姚裕貴，卻遇到了難題：他的導(dǎo)師由于種種原因不能繼續(xù)帶他，他不得不更換研究方向。
在博士階段更換方向，意味著一切要從零開(kāi)始?！斑@就好比你已經(jīng)快爬上一座山的山頂，卻又不得不下山，再去攀登另一座高山。當(dāng)時(shí)，我壓力很大?！币υＹF坦言，“當(dāng)時(shí)，我有的同學(xué)已經(jīng)出了很多成果，但我那時(shí)還沒(méi)有任何成果，甚至連方向都沒(méi)確定?！?/p>
怎么辦？姚裕貴用兩個(gè)字給出了答案：“刻苦”。“我當(dāng)時(shí)沒(méi)想那么多，只想著不能在攻讀博士學(xué)位的路上半途而廢。”他說(shuō)，“我將所有精力都投入到了學(xué)習(xí)上，幾乎廢寢忘食，總算趕上了同學(xué)們的進(jìn)度?！?/p>
尋找低能耗導(dǎo)電材料
如何研發(fā)出低能耗、體積小的電子器件，一直以來(lái)都是困擾半導(dǎo)體和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題。一些科學(xué)家希望通過(guò)優(yōu)化芯片架構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，還有一些科學(xué)家給出了一條截然不同的道路：用性能更優(yōu)異的材料制造芯片。姚裕貴從事的工作之一，便是尋找這種材料。
要尋找這種材料，首先要對(duì)低功耗量子效應(yīng)的物理原型有更加深刻的認(rèn)識(shí)。反?；魻栃?yīng)是磁性材料中最基本的輸運(yùn)現(xiàn)象之一，它不僅是諸多低功耗量子效應(yīng)的物理原型，也是拓?fù)淞孔游飸B(tài)的重要基石。然而，在20余年前，凝聚態(tài)物理學(xué)界只知道反?；魻栃?yīng)的幾種機(jī)制，卻并不清楚哪種機(jī)制占主導(dǎo)地位，更沒(méi)人從定量的角度寫(xiě)程序去計(jì)算，“因?yàn)樗珡?fù)雜了”。
姚裕貴下決心要啃這塊“硬骨頭”。他注意到計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，決定要編寫(xiě)一個(gè)程序計(jì)算反常霍爾效應(yīng)。
“這是一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作。當(dāng)時(shí)世界上還沒(méi)人做過(guò)反常霍爾效應(yīng)的計(jì)算，我也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)學(xué)過(guò)編程?！币υＹF回憶道，為了進(jìn)行這項(xiàng)工作，他分析了10萬(wàn)余行代碼，又自己摸索編程平臺(tái)的用法，熬過(guò)了不知多少個(gè)日日夜夜。
這個(gè)程序，姚裕貴寫(xiě)了近兩年。2003年某天，一個(gè)靈感忽然閃過(guò)，他感覺(jué)豁然開(kāi)朗。程序完成后順利通過(guò)測(cè)試，姚裕貴顛覆了當(dāng)時(shí)學(xué)界數(shù)十年來(lái)對(duì)反?；魻栃?yīng)“外在機(jī)制占主導(dǎo)，內(nèi)稟機(jī)制不重要”的傳統(tǒng)看法，推動(dòng)了該研究迅速發(fā)展。年輕的姚裕貴也因此在凝聚態(tài)物理界“小有名氣”，他的部分成果還被編入了國(guó)外主流教科書(shū)。
不過(guò)，姚裕貴沒(méi)有止步于此。他進(jìn)一步思考：既然明白了原理，能否運(yùn)用這些原理，在理論上設(shè)計(jì)出一種低功耗的導(dǎo)電材料？
他首先將眼光瞄向了前人研究較多的石墨烯。該領(lǐng)域權(quán)威學(xué)者曾提出，純石墨烯中自旋軌道耦合能隙約為毫電子伏特量級(jí)，但姚裕貴大膽質(zhì)疑這一點(diǎn)，通過(guò)深入的理論分析和精確計(jì)算，發(fā)現(xiàn)石墨烯的自旋軌道耦合能隙約為微電子伏特量級(jí)。
“如果在這個(gè)尺度上做實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量子自旋霍爾效應(yīng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)怎么也觀測(cè)不到?！币υＹF說(shuō)，“后來(lái)別人的研究也同樣表明石墨烯的自旋軌道耦合能隙確實(shí)很微小。”微電子伏特量級(jí)比毫電子伏特量級(jí)整整低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著若以石墨烯材料作為低功耗導(dǎo)體材料，需要將它置于極低的溫度下運(yùn)行，這不具備可行性。
“我們希望這種材料及量子自旋霍爾效應(yīng)能夠在更高的溫度下運(yùn)行，這就需要這種材料具有起伏的結(jié)構(gòu)和更大的原子自旋軌道耦合強(qiáng)度。”姚裕貴將眼光投向了類(lèi)石墨烯材料。2011年，姚裕貴等人在國(guó)際上首次指出類(lèi)石墨烯材料——硅烯、鍺烯、錫烯是二維拓?fù)浣^緣體，并預(yù)言了它們擁有更大的能隙。如果預(yù)言被證實(shí)，就意味著類(lèi)石墨烯材料有成為低功耗導(dǎo)體材料的可能。
這個(gè)預(yù)言，在12年后——2023年才被部分證實(shí)。姚裕貴這一等，就是12年。
12年中，許多人曾對(duì)這個(gè)預(yù)言表示質(zhì)疑，但姚裕貴始終堅(jiān)定信念。
為基礎(chǔ)研究創(chuàng)造更好環(huán)境
姚裕貴常說(shuō)，他所從事的基礎(chǔ)研究工作，是在“打地基”。他認(rèn)為，基礎(chǔ)研究出成果慢、研究周期長(zhǎng)、有很大的不確定性，常常需要坐數(shù)年的“冷板凳”，可一旦有成果，就可能產(chǎn)生顛覆性影響?！白龌A(chǔ)研究需有甘坐‘冷板凳’的精神，要持之以恒?！彼f(shuō)。
但姚裕貴也理解如今年輕人所面臨的壓力。“年輕人面臨著很大的生活和學(xué)業(yè)壓力，也渴望找到自己的位置。”他說(shuō)。
這些年，身為北京市政協(xié)委員的姚裕貴一直在奔走呼吁，希望為投身基礎(chǔ)研究的年輕人創(chuàng)造更好的環(huán)境?！拔艺J(rèn)為，社會(huì)應(yīng)該對(duì)科學(xué)家和科學(xué)研究有更高的容錯(cuò)度?！彼硎荆锢韺W(xué)、乃至所有基礎(chǔ)學(xué)科和基礎(chǔ)研究，需要全社會(huì)的理解與支持。
為此，姚裕貴一直在推動(dòng)北京理工大學(xué)物理學(xué)院作為全國(guó)科普教育基地的建設(shè)工作?！翱萍紕?chuàng)新和科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼。我希望通過(guò)這種科普，提升全民科學(xué)素質(zhì)，讓民眾理解科學(xué)家的工作，同時(shí)吸引優(yōu)秀人才。”姚裕貴親自?huà)鞄?，?dān)任該科普基地主任，并試圖將科普教育融入現(xiàn)在的本科生和研究生教育中。迄今為止，北京理工大學(xué)物理學(xué)院科普基地已舉辦各類(lèi)公益講座百余場(chǎng)，服務(wù)線(xiàn)上線(xiàn)下公眾200多萬(wàn)人次。
談到未來(lái)，姚裕貴充滿(mǎn)干勁?！案晌覀冞@一行，一般都是活到老、學(xué)到老、干到老，我也不例外。今后幾年，我希望在量子材料領(lǐng)域取得更大突破。”他說(shuō)。
（原標(biāo)題：姚裕貴：“凝”神“聚”氣設(shè)計(jì)量子材料）
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