遲艷艷

集成電路的發(fā)明，引爆了智能電子產(chǎn)品的潮流;巨磁阻材料的發(fā)現(xiàn)，促使了計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展;藍(lán)光LED的出現(xiàn)，開(kāi)辟了照明的新紀(jì)元……循著2000年、2007年、2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的脈絡(luò)，我們不能忽視的是，材料學(xué)科的每一次進(jìn)步，推動(dòng)著科技時(shí)代的進(jìn)程。

近十幾年，先進(jìn)材料研究成果密集涌現(xiàn)，有人斷言21世紀(jì)將是材料革命的時(shí)代。石墨烯是當(dāng)前最神奇的材料之一，是最薄、最堅(jiān)韌的納米材料，具有很多特殊的物理性質(zhì)，一旦能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，將帶來(lái)一場(chǎng)深刻的工業(yè)革命，極大地改變?nèi)藗兊纳?。因此，石墨烯是?dāng)今世界最熱門(mén)的研究熱點(diǎn)之一，各國(guó)政府都投入巨大的人力物力從事相關(guān)研究，比如2013年歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目為此列支了10億歐元的巨額經(jīng)費(fèi)。其中兩個(gè)重要的研究方向就是基于石墨烯的磁性材料和拓?fù)浣^緣性材料。

“80后”科研工作者胡軍在材料領(lǐng)域樂(lè)此不疲，在磁性納米結(jié)構(gòu)的磁各向異性，金屬多層膜、金屬/鈣鈦礦氧化物界面的磁性調(diào)控，拓?fù)浣^緣體的帶隙及邊緣態(tài)的理論設(shè)計(jì)中取得了一系列原創(chuàng)性成果，以拼搏向上的青年學(xué)者姿態(tài)奔跑在該領(lǐng)域的前沿。

探索磁性材料的奧秘

磁性材料是一種古老而用途十分廣泛的功能材料，與信息化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方方面面緊密相關(guān)。2009年，胡軍漂洋過(guò)海來(lái)到美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校，師從磁性材料研究領(lǐng)域的國(guó)際知名專(zhuān)家，就此與磁性材料結(jié)緣。到現(xiàn)在，胡軍已在磁性材料方面取得了一系列原創(chuàng)性的研究成果。

有機(jī)分子磁體，特別是鐵酞菁分子（FePc）是自旋電子學(xué)領(lǐng)域中的熱門(mén)研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FePc分子被放置在Cu（110）襯底上時(shí)其自旋取向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，但其機(jī)理尚不清楚。對(duì)此，胡軍展開(kāi)了深入系統(tǒng)的研究，解釋了這一現(xiàn)象。其研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ePc分子與襯底間的電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致自旋取向翻轉(zhuǎn)，并發(fā)現(xiàn)其磁電效應(yīng)非常顯著。胡軍預(yù)測(cè)，通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)節(jié)電荷轉(zhuǎn)移，可以操控FePc分子的自旋取向，這一性質(zhì)在自旋電子器件中具有極大的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作是關(guān)于有機(jī)磁性分子中磁電效應(yīng)的開(kāi)創(chuàng)性研究，為磁性分子的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)，發(fā)表于物理評(píng)論快報(bào)（Phys. Rev. Lett.），被多個(gè)一流學(xué)術(shù)雜志引用，得到了同行的廣泛認(rèn)同和肯定。

除此之外，胡軍還研究了過(guò)渡金屬雙原子分子的磁各向異性。為提高磁記錄器件的單位存儲(chǔ)密度，人們一直在尋找合適的磁性納米結(jié)構(gòu)做磁記錄單元，而最小的磁性納米結(jié)構(gòu)是過(guò)渡金屬雙原子分子。胡軍介紹說(shuō)：“過(guò)渡金屬雙原子分子的應(yīng)用前提有兩個(gè)，一是有合適的襯底材料支撐以便做成器件，二是有較大的磁各向異性能（大于30meV）以保證自旋取向在室溫以上穩(wěn)定。盡管早前有研究小組發(fā)現(xiàn)某些孤立的過(guò)渡金屬雙原子分子具有巨磁各向異性，但絕大多數(shù)襯底材料都將大大減弱其磁各向異性，甚至破壞分子結(jié)構(gòu)，為應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難。”

針對(duì)這一問(wèn)題，胡軍提出利用石墨烯空位缺陷給過(guò)渡金屬雙原子分子提供支撐的方案，經(jīng)過(guò)大量搜索，發(fā)現(xiàn)了兩種過(guò)渡金屬雙原子分子和石墨烯的組合既具有巨磁晶各向異性能（60meV以上），又保持分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有潛力成為目前為止最小的磁記錄單元。這項(xiàng)研究是將過(guò)渡金屬雙原子分子的自旋取向穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)合在一起的開(kāi)創(chuàng)性研究，為新奇磁性納米結(jié)構(gòu)做出了有意義的預(yù)測(cè)。

拓?fù)浣^緣態(tài)領(lǐng)域的尖兵

拓?fù)浣^緣態(tài)是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種全新的材料特性，在凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)各領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部是絕緣態(tài)（帶隙10-3 10-1eV），而在邊界上因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)（即自旋軌道耦合效應(yīng)）會(huì)形成量子化和無(wú)耗散的電流，在未來(lái)的量子器件如量子計(jì)算機(jī)中，有極大的應(yīng)用前景。盡管石墨烯是最早被預(yù)測(cè)的拓?fù)浣^緣體，但其自旋軌道耦合效應(yīng)太弱（導(dǎo)致拓?fù)浣^緣帶隙太小10-6eV），無(wú)法在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下觀測(cè)到拓?fù)浣^緣態(tài)。但胡軍深知，石墨烯作為最獨(dú)特的單原子層二維材料，在下一代電子器件、自旋電子器件、太陽(yáng)能電池等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，因此提高其拓?fù)浣^緣帶隙有重要的價(jià)值。以這樣的理念為基礎(chǔ)，胡軍做了大量工作，提出了在石墨烯上沉積重金屬原子以增強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)的方案，預(yù)測(cè)了一系列具有應(yīng)用前景的拓?fù)浣^緣態(tài)，發(fā)表了數(shù)篇具有影響力論文。

一方面，胡軍預(yù)測(cè)在石墨烯上沉積三族元素鉈（Tl），不破壞石墨烯的狄拉克錐，但Tl的p軌道的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)傳遞給了石墨烯π電子，在石墨烯的狄拉克錐處產(chǎn)生高達(dá)21meV的拓?fù)浣^緣帶隙，比石墨烯自身的帶隙提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，該拓?fù)浣^緣態(tài)可以存在于200K左右，大大提高了實(shí)驗(yàn)研究的可行性。

另一方面，胡軍研究了5d軌道與石墨烯狄拉克態(tài)的雜化帶中的拓?fù)浣^緣態(tài)。研究表明，在石墨烯上沉積重過(guò)渡金屬原子鋨（Os），其5d軌道與石墨烯的π軌道強(qiáng)烈雜化，生成一系列新的能帶。其中一些能帶具有拓?fù)浣^緣態(tài)性質(zhì)，拓?fù)浣^緣帶隙高達(dá)270meV，遠(yuǎn)高于室溫對(duì)應(yīng)的帶隙，而且此拓?fù)浣^緣帶隙受Os原子的覆蓋度影響較小，當(dāng)覆蓋度為2%?6%時(shí)，拓?fù)浣^緣帶隙變化不到10%（250meV?270meV），具有較強(qiáng)的抗干擾性。

這兩項(xiàng)工作在研究石墨烯中拓?fù)浣^緣態(tài)的領(lǐng)域具有開(kāi)創(chuàng)性，分別發(fā)表于物理評(píng)論X（Phys. Rev. X）和Phys. Rev. Lett.，并引發(fā)了大量后續(xù)工作，并被Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等頂級(jí)期刊多次引用。例如，著名物理學(xué)家A.H. MacDonald與合作者在其多篇論文中引用胡軍的這兩項(xiàng)工作;A.H. Castro Neto與合作者則評(píng)價(jià)胡軍的工作為增強(qiáng)石墨烯的自旋軌道耦合效應(yīng)開(kāi)啟了新途徑，并在實(shí)驗(yàn)中把銅原子沉積到石墨烯上實(shí)現(xiàn)了這種增強(qiáng)效應(yīng);而N. Nagaosa與合作者認(rèn)為胡軍預(yù)測(cè)的二維拓?fù)浣^緣體相對(duì)于量子阱二維拓?fù)浣^緣體更簡(jiǎn)單，并展開(kāi)了后續(xù)工作。近三年來(lái)，胡軍發(fā)表于Phys.Rev.X的文章在Web of Science檢索總引用次數(shù)超過(guò)150次，且在該期刊所有論文中總引用數(shù)一直保持排名第一。

另外，新型拓?fù)鋺B(tài)Chern半金屬也是胡軍取得的突破性成果。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，量子反常霍爾效應(yīng)只存在于磁性拓?fù)浣^緣體中，然而胡軍提出半金屬態(tài)也可能導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)，即一個(gè)自旋通道具有拓?fù)浣^緣性（貢獻(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)），而另一個(gè)自旋通道為普通金屬（與量子反?；魻栃?yīng)無(wú)關(guān)）。胡軍稱(chēng)這種新的拓?fù)鋺B(tài)為Chern半金屬。通過(guò)一系列理論模型的反復(fù)論證，胡軍證明沉積有鈷（Co）或銠（Rh）的石墨烯為Chern半金屬。Co和Rh沉積石墨烯上具有很強(qiáng)的垂直自旋取向，滿(mǎn)足了實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的自然條件。就這樣，胡軍提出了Chern半金屬的概念，把拓?fù)洳牧蠌慕^緣體推廣到了半金屬。

如今，作為老師的胡軍常常告訴學(xué)生，基礎(chǔ)研究是根本，要善于將一些不成熟的想法建立成具體的理論模型，然后用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)驗(yàn)證想法，只有基礎(chǔ)理論做好了，才能給實(shí)際應(yīng)出指明方向。這也是他一路走來(lái)的切身感受，他也在言傳身教地傳承下去。

“在遇到問(wèn)題的時(shí)候，學(xué)生要學(xué)會(huì)解決問(wèn)題，并且在不斷發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的循環(huán)中提高自己。這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程?！睂?duì)未知世界充滿(mǎn)認(rèn)識(shí)的渴望，對(duì)能力積累懷抱無(wú)限的耐心，這是胡軍堅(jiān)持告訴學(xué)生的真理。endprint