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拓扑绝缘体开启物理研究新纪年

2012-11-14高妍杨进平

科技创新与品牌 2012年5期
关键词:绝缘体霍尔量子

文/高妍 杨进平

拓扑绝缘体开启物理研究新纪年

文/高妍 杨进平

2009年,张首晟与中科院物理所的理论团从理论上预期了三维拓扑绝缘体的存在。

随后,由清华大学物理系以及中科院物理所组成的实验研究团队,制备出了高质量的薄膜。

拓扑绝缘体

拓扑绝缘体,近年发现的一种全新量子物质态,最早在2005年提出,因其特异结构和优异性能而备受关注。

拓扑绝缘体的出现为未来电子技术的发展提供了新的思路。

拓扑,最抽象的数学概念之一。

绝缘体,一种非常具体的材料。

拓扑绝缘体,近年发现的一种全新量子物质态。这个新奇的概念,不仅将两个隔行隔山的名词联系在了一起,更因自身奇特的电子结构和优异性能成为凝聚态理论研究的热门领域。

张首晟,“千人计划”入选者,清华大学高等研究院、斯坦福大学物理系讲座教授,拓扑绝缘体研究领域的开创者之一。

新奇的拓扑绝缘体

众所周知,传统固体材料可按导电性质划分为绝缘体和导体,绝缘体不导电,而导体导电,多为金属材料。无论导体抑或绝缘体,尽管可在一定情况下发生转化,但相对来说,它们的导电属性是确定的,非此即彼。

而拓扑绝缘体却完全不同。张首晟介绍,从理论上分析,拓扑绝缘体材料的体电子态是有能隙的绝缘态,而其表面却是无能隙的金属态。简而概之,拓扑绝缘体具有绝缘体和导体的双重性,内部是绝缘体,表面却是金属性的导体。

同时,拓扑绝缘体的表面金属态也完全不同于一般意义上由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态,其表面金属态完全由材料体电子态的拓扑结构决定,与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定,所以它的存在非常稳定,基本不会受到杂质与无序的影响。

拓扑绝缘体的特异结构决定了拓扑绝缘体材料具有独特的优点。首先,这类材料是纯的化学相,非常稳定且容易合成;其次,这类材料表面态中只有一个狄拉克点存在,是最简单的强拓扑绝缘体,这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台;第三,也是非常吸引人的一点,该材料的体能隙非常大,远远超出室温能量尺度,这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。

这些重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用,有着巨大的应用潜力。目前,寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料,已经成为人们关注和研究的焦点。

拓扑绝缘体的前世今生

拓扑绝缘体的概念最早在2005年提出。张首晟介绍,这一概念的提出最早只是一个理论预言。

电子能量消耗是目前半导体行业乃至整个信息技术发展遇到的最大难题,计算过程中电子的无序碰撞便是造成电子能量消耗的最大原因。而拓扑绝缘体概念的根本前提就是电子之间“各行其道,互不干扰”——将电子有序分开,避免碰撞带来无谓消耗,再推动其各自高速运行,最终提升运算速度。

“我们预言了一些材料,它们有非常奇妙的性质。如果把这些材料变成二维体系,那你会看到:电子全部行走在边缘上,并且各行其道、互不干扰。”张首晟解释说。在这个预言里,他设定了具体的现象,预言了哪些材料在哪种情况下采用何种方法才会实现哪种效应。而要让美好愿望变成现实,就要采用科学的方法和手段,充分利用自然规律来实现。“我们主要利用量子自旋摩尔效应,通过调控电子的自旋来改变它的运动方式。”

21世纪初,张首晟带领团队开始研究两维拓扑绝缘体,也就是量子自旋霍尔效应。

霍尔效应最初由科学家埃德温•霍尔在19世纪末发现,即通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90o。1980年,科学家又发现在极低温和强磁场条件下,霍尔效应会呈现电子按顺时针沿导体边缘运动,即量子化的表现形式,这就是量子霍尔效应。量子霍尔效应的发现给物理学界带来了重大的影响,曾两次被授于诺贝尔奖。与无序运动导致热量消耗相比,量子霍尔效应中的电流几乎没有能量损失,由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。

电子是电流的载体,它除了负有电荷以外,还具有一种叫做自旋的性质,这种自旋也会出现量子霍尔效应,这就是“量子自旋霍尔效应”。在这种效应下,同样没有能量损耗,所不同的是它不需要强磁场和极低温的苛刻条件。如果能够在室温下实现量子自旋霍尔效应,这无疑会突破摩尔定律的限制,很有可能催生新的几乎不发热的电脑元器件。

2006年,张首晟小组提出了“量子自旋霍尔效应”的预估理论,并在《科学》杂志上发表。2007年,“量子自旋霍尔效应”在其合作伙伴德国Wurzburg大学的实验室进行了确认,并在碲化汞半导体材料上实验成功。同年,“量子自旋霍尔效应”被纳入《科学》杂志2007年重大科学发现之一。也正是因为这一开创性贡献,张首晟于2010年被授予“欧洲物理奖”。

在这之后,张首晟加强了与国内研究单位的合作。2009年,张首晟与中科院物理所方忠研究员、戴希研究员以及张海军博士组成的理论团队向世界宣布,他们从理论上预言了三维拓扑绝缘体的存在。

随后,由清华大学物理系薛其坤院士、陈曦教授和贾金锋教授以及中科院物理所马旭村研究员等组成的实验研究团队,也在国际上首先发展了三维拓扑绝缘体的分子束外延生长技术,制备出了高质量的薄膜。在此基础上,他们利用超低温扫描隧道显微镜和角分辨光电子谱等实验手段,从实验上证明了三维拓扑绝缘体一系列重要的特征,并在三维拓扑绝缘体材料制备方面取得了一定的进展。

张首晟他们的成功得到了世界范围的广泛关注,使我国在这一研究领域达到了国际领先水平,有望引领世界发展趋势。这一成果,被评为当年中国十大科技进展第一名。

张首晟教授(左)与美国物理学会会长

2011年9月21日,中国科协第十三届年会上,求是奖年度颁奖典礼隆重举行。

张首晟凭借在拓扑绝缘体领域所作的开创性工作获得了2011年度“求是杰出科学家奖”。清华大学物理系薛其坤、陈曦、贾金锋以及中科院物理所方忠、马旭村、戴希、张海军也因三维拓扑绝缘体项目获得“求是杰出科技成就集体奖”。而之前,“求是杰出科学家奖”曾多次授于中国两弹一星的元勋。

两项大奖同时颁给拓扑绝缘相关研究人员,一时间,拓扑绝缘体和张首晟成为业内外关注的焦点。

“作为一个中国人,能够在国内得到这么高的荣誉,能够与为国家作出过突出贡献的前辈们得到同一个奖,真的是莫大的鼓舞。另一方面,个人和集体同时获奖,更是对团队的肯定和认可。”张首晟强调,不可否认,正是因为理论与实验两个团队在研究过程中进行了广泛而深入的合作,才使得他们能够在较短时间内取得一系列重要进展。这种创新性的合作模式,将理论与实践紧密结合,充分发挥了不同专长研究人员的优势,能够拓宽研究者的视野,更容易激发出科技创新的火花,为今后科研工作的开展提供了很好的借鉴。

就在2012年2月底隆重召开的美国物理学年会上,张首晟又荣获了该组织在凝聚态领域的最高奖——Oliver Buckley 奖,其研究成果再次得到世界范围的认可。

“虽然我们实现了理论上的预言,得到了比较清晰的图像,但在具体材料的制备实现上还是存在很多困难,需要进一步攻关努力。”接下来,拓扑绝缘体的研究重点将放在材料制备上。

在悠闲中追求真理

张首晟有着非同寻常的学习和科研经历。1978年,张首晟15岁,在没有读过高中的情况下,他完全依靠自学考入了复旦大学,一年后又赴德国求学于柏林自由大学。1983年取得物理学硕士学位后,又赴美国纽约州立大学石溪分校攻取博士学位,师从杨振宁教授。

1987年,他进入加州大学Santa Barbara分校进行博士后研究,直到1989年博士后出站,张首晟以高级研究员的身份开始了在IBM研究中心为期4年的科研工作。在此期间,他还因在半导体物理方面的著名研究获得了“杰出贡献奖”。

1993年,张首晟受聘于斯坦福大学物理系,并凭借过人的天赋、刻苦的努力和出色的研究成果,仅用两年的时间,就成为斯坦福最年轻的正教授,年仅32岁。

在近30年的海外学习和科研过程中,张首晟在高温超导、量子霍尔效应、自旋电子学、强关联电子系统等方面进行了深入而细致的研究,尤其在凝聚态物理等研究方向上取得了大量国际一流的原始创新成果,提出了基于超导与反铁磁相SO(5)对称性的统一理论、室温下无耗散的量子自旋流、四维量子霍尔效应等理论。

与此同时,他在世界一流刊物上发表论文100多篇,同时在物理学最具权威的刊物Physical Review Letters上发表了37篇高水平论文(影响因子7.2)。近年又在《自然》和《科学》杂志上发表了6篇有极大反响的论文,被SCI收录杂志引用5000多次。

这一系列成果的获得,使张首晟成为世界顶级的物理学家。而多个国家和科研机构的更换,不仅使他积累了丰富的研究经验和人脉资源,更成就了他国际化的研究视野和理念,也为他今后的国际化合作研究打下了坚实的基础。

成绩斐然的背后,张首晟并没有为繁重的工作所累,反而在劳逸结合间充分享受科学研究这一“奇妙”的过程。

他说,就像人类追求真善美一样,科学研究也是一个追求美的过程。而在这个过程中,悠闲的环境和淡然的心态至关重要。因为,“科学理论研究与工程应用研究是有差别的。工程研究有明确目标,只要肯踏实研究迟早都能解决;而科学理论的研究则是完全未知的,要有一往无前的信念、万折不挠的决心和一旦失败就很可能全军覆没的心理准备。”张首晟认为,现在的中国所缺少的正是这样一个环境,一个自由、宽容能够让大家全心追求美,在美中追求真理的环境。“人只有在放松的状态下,才会有更活跃的思维,才能看得更远,才能从一棵树看到一片森林。”

张首晟教授(左)上台领取美国物理学会凝聚态物理最高奖——Oliver Buckley 奖

科学理论研究存在极大的风险,选择科研方向有时候全凭直觉。因此张首晟非常注重科学史的学习,不仅学习知识本身,更重视了解知识发现的过程。“在概念还比较模糊的时候,为什么有的人就能够看得远、看得准?”张首晟说:“我们就是要培养这种嗅觉和品味。”所以张首晟在培养学生的时候,便从这一点出发,以国际化的理念提携后生、打造团队,为世界物理学界不断输送着具备突出研究能力、国际化研究视野、强烈自主创新精神和合作意识的优秀研究人才。目前他己用这种理念培养了一批优秀的中外学生,在世界一流的高校任教,其中曾获2010年美国斯隆研究奖的清华大学博士生祁晓亮就是一个最成功的例子。

作为一名科研工作者,张首晟的身上时常透出浓浓的书卷气,言谈间总是富含哲理。盛名之下的他,淡然面对身外的一切。他说自己会利用全世界最先进的资源,在拓扑绝缘体领域勇往直前,去为科学的发展和世界的进步带去力所能及的改变。

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