□ 汲曉奇

物理學(xué)的研究是大至宇宙、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本運動和相互作用的規(guī)律。因此，物理學(xué)成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的重要研究基礎(chǔ)之一。凝聚態(tài)物理作為物理學(xué)的一個重要分支，因其為未來世界的應(yīng)用帶來無數(shù)潛在的可能性，而成為當(dāng)今物理學(xué)最前沿的研究對象之一，也成為世界各國科學(xué)家競相追逐的目標(biāo)領(lǐng)域。

“近年來，凝聚態(tài)物理的快速發(fā)展，使各種新材料和新物理現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)，如在超導(dǎo)方面，近些年來鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和研究，開啟了高溫超導(dǎo)的另一扇大門，為超導(dǎo)應(yīng)用和機理研究提供了近千種新材料；新能源材料方面，鋰離子、鈉離子、鋁離子等各種固態(tài)電池的發(fā)現(xiàn)，使電池壽命和儲能效率更高……這些如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著凝聚態(tài)物理的發(fā)展正進(jìn)入‘井噴’的時代。然而，這并不表明凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題都被攻克了，相反，當(dāng)前凝聚態(tài)物理仍有很多困惑，要進(jìn)一步使凝聚態(tài)物理研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，還需要眾多物理學(xué)家進(jìn)行更深入的研究?！睆?fù)旦大學(xué)先進(jìn)材料實驗室青年研究員閆亞軍說。

作為物理學(xué)的忠實粉絲，閆亞軍從小就對物理學(xué)飽含濃厚的興趣，對物理科研充滿向往?，F(xiàn)在，閆亞軍已走在了自己的理想之路上，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的超導(dǎo)材料、拓?fù)浣^緣體等方向上不懈探索，解開了一個又一個物理學(xué)謎題。她說，對基礎(chǔ)物理研究而言，除了需要勤奮努力外，還需要長年的堅持不懈。現(xiàn)在她正處于科研的“黃金期”，她得再加一把勁，交出屬于自己的“代表作”。

追尋拓?fù)涑瑢?dǎo)之光

你是否還記得電影《阿凡達(dá)》中一座座懸浮在云端的哈利路亞山？

那一座座大山之所以能夠懸空，是因為山中蘊藏著一種神奇的室溫超導(dǎo)礦石，它借助母樹附近的強大磁場“托起”了哈利路亞山。

作為20世紀(jì)初最重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一的超導(dǎo)，自1911年發(fā)現(xiàn)以來，無數(shù)科學(xué)家被其神秘特質(zhì)所吸引?！俺瑢?dǎo)指的是某些材料在溫度降低到某一特定溫度的時候，其電阻突然消失為零且外部磁場被排出體外（完全抗磁性），而同時具備這兩種特性的材料被稱為超導(dǎo)體?！遍Z亞軍說，有了這種材料后，電路中電流消耗的焦耳熱量為零，這能極大地提高電流利用效率；而強大的抗磁特性則可以用于超導(dǎo)磁懸浮，使利用此技術(shù)的列車比高鐵還要高速安全穩(wěn)定得多。此外，超導(dǎo)體還在科學(xué)研究、信息通信、工業(yè)加工、能源存儲、生物醫(yī)學(xué)乃至航空航天等領(lǐng)域均有重大的應(yīng)用前景。

然而，目前大多數(shù)超導(dǎo)體僅在接近絕對零度的溫度下工作，即使是高溫超導(dǎo)體也只存在于相對絕對零度的高溫：-140℃。實現(xiàn)超導(dǎo)應(yīng)用必須依賴于昂貴的低溫液體——如液氦等來維持低溫環(huán)境。這導(dǎo)致超導(dǎo)應(yīng)用的成本急劇增加，并且維持低溫的成本甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料本身的價值。因此，真正在室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)的應(yīng)用與弄清楚為什么材料會出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，吸引著全世界無數(shù)物理學(xué)家甘愿為之攀登終生。這同樣也是閆亞軍一生攀登追逐的目標(biāo)與動力所在。

為掀開超導(dǎo)材料的神秘面紗，在博士期間，閆亞軍就對鐵基高溫超導(dǎo)材料、低維磁性材料以及拓?fù)浣^緣體等體系的材料合成和物性進(jìn)行了深入研究，并在研究中積累了豐富的經(jīng)驗。博士畢業(yè)后，閆亞軍加入復(fù)旦大學(xué)物理系開展博士后工作。在工作中，閆亞軍結(jié)合掃描隧道顯微鏡繼續(xù)探索超導(dǎo)材料。在這基礎(chǔ)之上，在上海晨光計劃“拓?fù)涑瑢?dǎo)體的掃描隧道顯微學(xué)研究”項目中，閆亞軍利用極低溫掃描隧道顯微鏡（STM）為手段，通過實驗去尋找可能存在的拓?fù)涑瑢?dǎo)體，并為其存在提供有力的證據(jù)。

“拓?fù)洹痹跀?shù)學(xué)上是一個描述全局性質(zhì)的概念。當(dāng)一個物體在未被撕裂的條件下，任何拉伸、扭曲或連續(xù)形變都不會改變其拓?fù)湫再|(zhì)特性。在物理上，拓?fù)浣^緣體的概念首先被提出，它的體內(nèi)仍然是能隙打開的絕緣體，但是它的表面或者邊緣受拓?fù)湫缘谋Ｗo(hù)能隙閉合而表現(xiàn)出金屬性。超導(dǎo)體中也有能隙，且能隙下方的態(tài)被完全占據(jù)，因此超導(dǎo)體也能用拓?fù)洳蛔兞窟M(jìn)行分類。最近幾年，拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究是凝聚態(tài)物理研究的前沿方向之一，人們不僅對拓?fù)洳牧夏軌蛟谛乱淮娮悠骷统瑢?dǎo)體中應(yīng)用抱有希望，而且看好其在未來量子計算機方面的應(yīng)用。但是由于拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的稀少以及實驗和理論研究的局限性，現(xiàn)在拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究還處于起步階段。

“在物理學(xué)界，一個通過理論推導(dǎo)出的結(jié)論必須通過實驗驗證才能被承認(rèn)。沒有實驗證實，便不能稱之為‘發(fā)現(xiàn)’。要證明拓?fù)涑瑢?dǎo)體的存在，必須通過實驗的驗證?！遍Z亞軍告訴記者，檢驗拓?fù)涑瑢?dǎo)體的方法之一是探測到無能隙的金屬性邊緣激發(fā)態(tài)，即尋找Majorona費米子存在的證據(jù)。但由于可能的拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的臨界溫度普遍較低等原因，對它的研究進(jìn)展緩慢，現(xiàn)有的拓?fù)涑瑢?dǎo)的工作也存在較大爭議。為找到更多直接的實驗證據(jù)來證明拓?fù)涑瑢?dǎo)體的存在，在項目中，閆亞軍以STM作為研究超導(dǎo)體表面電子態(tài)和超導(dǎo)電性的有力工具。她說，STM是目前研究超導(dǎo)材料的最有力的手段之一，已在銅基、鐵基等非常規(guī)超導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的研究中起到了非常重要的作用。STM可以運行于極低溫，有非常高的實空間和能量分辨率，它不僅可以觀察樣品表面原子結(jié)構(gòu)、測量樣品局域態(tài)密度，還可以通過準(zhǔn)粒子散射成像獲得動量空間的電子態(tài)信息。同時，STM的高實空間分辨率使其可以直接探測到超導(dǎo)磁通中心的束縛態(tài)、二維體系的邊緣態(tài)及一維體系的端點模，這也是采用STM研究低維拓?fù)涑瑢?dǎo)體邊緣激發(fā)態(tài)的重要優(yōu)勢。更為重要的一點是STM能夠探測超導(dǎo)配對對稱性，而目前的理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)“拓?fù)涑瑢?dǎo)體大多數(shù)情況要靠p波對稱才能實現(xiàn)。確定體系是否有p波對稱是驗證拓?fù)涑瑢?dǎo)體存在的重要判據(jù)”。

因此，在項目中，閆亞軍以極低溫矢量磁場STM，結(jié)合分子束外延生長對拓?fù)涑瑢?dǎo)體展開研究，希望獲得摻雜Bi2Se3類超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)，包括超導(dǎo)能隙的各向異性和配對對稱性等；實現(xiàn)強自旋軌道耦合材料和超導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，探索其中的拓?fù)涑瑢?dǎo)電性；此外，還將嘗試?yán)肕BE生長得到RuO2終止面的Sr2RuO4薄膜和或單層RuO2面，給出判斷其是否為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的微觀證據(jù)。總之，閆亞軍將關(guān)注一些可能的本征拓?fù)涑瑢?dǎo)材料和人工拓?fù)涑瑢?dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，對其中的超導(dǎo)電性進(jìn)行更為直接的微量觀測，尋找拓?fù)涑瑢?dǎo)體存在的更直接的證據(jù)，理解拓?fù)涑瑢?dǎo)體產(chǎn)生的機理，為其實際運用奠定基礎(chǔ)。

走入粒子世界

在物理學(xué)最小的基本粒子世界里住著“兩大家族”：費米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子）。而在費米子家族眾多成員里面，重費米子材料是不可忽視的存在。重費米子體系主要包括一些含有稀土金屬（如鈰鐿）、錒族金屬元素（如鈾）的金屬化合物。這類化合物在低溫下表現(xiàn)出豐富的物理性質(zhì)，如超導(dǎo)、反鐵磁或鐵磁以及費米液體的行為；由于低溫下這類材料的比熱非常高（電子的有效質(zhì)量非常大），因此把此類化合物稱為重費米子材料。

“重費米子超導(dǎo)材料種類繁多，迄今已有40余種，涵蓋多種類型的晶體和電子結(jié)構(gòu)。這些材料中存在異常豐富的奇異態(tài)，并且往往與超導(dǎo)相伴而生?！遍Z亞軍介紹說，這些材料中的量子臨界漲落被認(rèn)為是導(dǎo)致重費米子超導(dǎo)的誘因，但又與超導(dǎo)態(tài)相互競爭。但是由于重費米子體系的特征能量尺度低，對其超導(dǎo)性質(zhì)的研究還非常匱乏。

為敲開重費米子世界的大門，在國家自然科學(xué)面上項目“Ce基和U基重費米子材料的掃描隧道顯微學(xué)研究”中，閆亞軍重點對超導(dǎo)溫度1K以上的Ce-基和U-基重費米子體系進(jìn)行研究。她希望通過極低溫、矢量磁場的掃描隧道顯微鏡研究這類材料在不同溫度下的電子態(tài)性質(zhì)和能隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而揭示重費米子態(tài)形成和演化的微觀機制，澄清或者闡明一些典型重費米子超導(dǎo)體的序參量及其對稱性?！巴瑫r，在這個項目里，我還想弄明白一些典型Ce-基和U-基重費米子超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)，是否多帶超導(dǎo)？超導(dǎo)配對對稱性是什么？嘗試總結(jié)不同重費米子體系的f電子的局域巡游特性，來探明f電子和導(dǎo)帶電子雜化的具體表現(xiàn)形式。最后，通過對比各種有序態(tài)的物理性質(zhì)及相互之間的關(guān)聯(lián)，如反鐵磁序與超導(dǎo)態(tài)、隱藏序與超導(dǎo)態(tài)、隱藏序與反鐵磁序等，弄清楚重費米子態(tài)的形成和演化過程，探索FFLO態(tài)和拓?fù)浞瞧接贡砻鎽B(tài)等新奇量子態(tài)的存在與否?！遍Z亞軍告訴記者，要跨越重費米子體系能量尺度低和普通物性測量難度高等困難，新的先進(jìn)的實驗手段和實驗方法的應(yīng)用，是打破重費米子研究僵局并取得突破性進(jìn)展的重要方法之一，也會對該領(lǐng)域的發(fā)展有巨大的促進(jìn)作用。為此，在研究中，她會借助先進(jìn)的實驗手段與實驗方法來展開相關(guān)工作。

閆亞軍

萬丈高樓平地起。所有的成就都離不開前期的積累。正是閆亞軍在博士、博士后期間在超導(dǎo)材料領(lǐng)域打下的堅實基礎(chǔ)，讓她在今天的研究中得以厚積薄發(fā)，也讓她在國家自然科學(xué)基金項目中取得眾多富有特色的研究成果。鷹擊天風(fēng)壯，鵬飛海浪春。在超導(dǎo)材料研究如火如荼的現(xiàn)在，閆亞軍表示，她要借復(fù)旦大學(xué)物理系這方平臺，在神奇的粒子世界不懈探求，發(fā)展出屬于自己的特色和優(yōu)勢。

在采訪中，閆亞軍對記者說，一直以來，她都認(rèn)為自己是一個踏實的人，比較適合搞科研，自己從小也對科學(xué)家充滿了向往之情。因此，從事科研工作是她做出的正確的抉擇。而在走上科研之路后，她發(fā)現(xiàn)科研工作并不全是想象中的美好。她說，這條路很難走，常常是一個問題疊著一個問題，常常需要在“死胡同”里徘徊。然而，即使在這么難走的路上，她覺得辛苦也是值得的，她至今都還記得每合成一種新材料、每攻克一個難題所帶來的快樂。在她看來，這些在科研工作取得新突破時的快樂早就彌補了陷入困難之時的沮喪與困惑。也正是對這份快樂的“上癮”與癡迷，讓她在工作中不斷突破與創(chuàng)新，去追尋更多的快樂。