徐勇：凝聚态物理世界的“漂亮推导”

汲晓奇

在徐勇看来，清华大学是他生命中的重要转折点。他来自湖南益阳一个普通的农村家庭，从初中开始寄宿，高中在当地数一数二的“苦学校”一心苦读，最终圆梦清华。

清华带给徐勇的既有开启科研之旅的机遇，也有高手如云环境下奋发图强的压力，“感觉自己来清华以后比高三时还累，但回想过去那些艰苦中奋斗的日子，总是感到轻松而愉悦。”就像他热衷的理论推导一样，过程循序渐进，结果水到渠成，他用勤奋与智慧演绎着凝聚态物理世界的“漂亮推导”。

扎根热与电的园地

人们总是赋予清华学子太多的光环，然而徐勇并不讳言，本科毕业前夕他也曾迷茫过，当时两个班的同学有一半转行金融业，一边是繁华热闹的商业街，一边是寂寞冷清的科研路，何去何从？徐勇说：“我从小就喜欢物理，在物理世界中，掌握了基本原理就可以进行无限的推导，有时用一个简单的方程就可以描述一个世界，整个推导过程看起来很漂亮。”凭着对理论推导的热爱，他不忘初心，选择了科研漫漫征途。

在清华大学高等研究院读研期间，徐勇师从中国科学院院士顾秉林，研究量子热输运的理论计算方法。高研规模虽不大，但是有开放自由的学术环境。除了研究量子热输运，徐勇还对第一性原理电子结构计算感兴趣。热与电的研究是相通的，徐勇有研究电的背景，所以在热的领域也有很多等待他开垦的“园地”。

热输运是凝聚态物理和材料科学最重要的基础研究领域之一。虽然经典理论适用于宏观体系，但为了在原子层描述和理解热输运的量子行为还需要发展新的理论方法。这对钟情理论推导的徐勇来说就像一片新开发的沃土，他在博士期间独立地发展了一套基于第一性原理的非平衡格林函数方法，用于模拟实验材料和器件中声子的量子运输，并实现了该方法的Fortran编程，基于第一性原理计算和非平衡格林函数方法，徐勇在热与电这片沃土上尽情耕耘。

清华大学是徐勇开展科学研究的起点，但不是终点。获得博士学位后，徐勇来到了德国马普学会Fritz-Haber研究所从事博士后工作研究，并获得了洪堡奖学金，受到德国总统接见。这个德国最早成立的研究所之一有着传统的科学思维训练系统，要求学者对科研一丝不苟，发表一篇论文往往需要修改六七十次，具体到文章中的某一句话该如何表达都有严格要求。

在Fritz-Haber研究所，徐勇的工作以深入的基础研究为主，发表的论文寥寥无几，他坦言这是人生比较压抑的时期，“在那里将近3年的时间并没有发表多少研究论文，但是一个人在成长过程中会遇到各种不顺，关键是遇到挫折的时候能够坚持下去。”这段经历为徐勇之后的研究奠定了扎实的基础。

随后，徐勇到美国斯坦福大学跟随张首晟教授从事拓扑绝缘体和热电材料的相关研究。美国的学术氛围非常活跃，交流过程中很容易碰撞出好的想法，加之在德国受到的一套系统的学术思维训练使徐勇在热与电的领域内游刃有余，他发表的多篇论文获得了业界的广泛认同。

发现新型拓扑材料

20世纪60年代，摩尔提出了著名的摩尔定律，即集成电路的芯片密度每两年翻一番。随着集成电路集成度的增加，器件尺寸日益变小，器件单位面积消耗的功率成指数增长，产生的焦耳热也越来越多，这部分焦耳热如果不能有效地散发出去，便会极大地影响电子器件的稳定运行，所以解决大规模集成电路的功耗和散热问题显得尤为重要。解决该问题有很多途径，徐勇介绍说，一种是设计低能耗电子器件，第二种是在热输运的控制中寻找散热性能好的新型材料，第三种是开发新能源。他关注这三方面的研究，并取得了一些成绩。

什么是低能耗电子器件？徐勇打了一个形象的比喻：电子在电场下的运动就像开车，杂乱无章的交通路段会降低车速。对电子而言，运动路径上的障碍（对应于材料中缺陷和杂质）越多，电子越需要迂回绕行以躲避路障，电阻就会越大；如果导电通道内的电子都朝一个方向走，那么，这样的到点通道就像是电子的高速公路，电阻小，耗散低。很长一段时间内，人们一直在努力寻找室温下无耗散的导电通道，以期实现无需低温冷却的零电阻导电。

拓扑绝缘体是一类具有绝缘体态和受拓扑保护的金属边界态的新型量子材料，在无耗散导电领域具有广泛的应用前景。2006～2007年期间，张首晟教授发现二维拓扑绝缘体支持量子自旋霍尔效应，它们的边沿态因受拓扑保护而无背散射，很有希望应用于零电阻电子输运。2013年，徐勇在此基础上预言了一种名为stanene（锡烯）的新型拓扑材料，它由单原子层的锡构成，它的边沿态在室温下可以实现量子自旋霍尔效应。作为一类新型的量子自旋霍尔绝缘体，stanene及其相关材料具有很多优点：它们的体能隙相当大，支持室温下的各种实际应用，通过化学修饰和外应力可以有效调控量子自旋霍尔态。这一发现有利于设计更快、更有效的微芯片。

有关stanene的预测一经发表便被Scientific American、Nature News和其他杂志广泛报道，德国、中国以及Stanford和UCLA的实验室随即展开了相关实验。2015年8月，他与上海交通大学的贾金峰和钱冬组合作，首次在实验中生长出单层stanene结构，该成果发表在Nature Materials杂志上，掀起了stanene研究的热潮。

提高拓扑绝缘材料的热电效率

每一个科学家都有一颗朴素的报国心，他们希望自己的科研成果能够有用武之地，特别是那些关系国计民生的重要领域，徐勇也如此，他对能源和环境问题尤其关心。

相关的统计数据表明，汽车能源消耗的70%以热能的形式耗散掉，如果将这些能量转化为电能加以回收利用，可以极大地缓解当前的能源危机。美国10年前计划用热电回收汽车尾气，现在已接近投入商业化生产阶段，预计可将汽车燃油效率提高10%。

热电材料是一种功能材料，它可以利用温度差产生电压，从而用于废热回收；它也可以将电流转化成热流，用于制冷。显然，热电材料的使用可以为能源和环境问题做出重大贡献，寻找高性能的热电材料一直是材料科学追求的目标，但热电材料目前存在的最大问题是效率不高。热电材料的效率主要取决于品质因子ZT，目前世界上ZT值为1的记录至今已经保持了几十年。徐勇提到，如果能把ZT值提高到3～4，热电材料就可以为传统电器行业带来革命性影响。

“拓扑绝缘体的发现给热电研究带来了新的发展契机，因为许多拓扑绝缘体本身即是很好的热电材料。”一直以来，ZT被认为是热电材料的本征属性，所以ZT值的改变很困难。然而，徐勇通过研究发现，与通常的材料不一样，拓扑绝缘体的ZT并不是热电材料的本征属性，它可以依赖几何尺寸发生改变，传统的ZT定义因此不再适用，他重新给出了一个广义的ZT定义。

在新的ZT定义基础上，徐勇提出，优化拓扑绝缘材料的几何尺寸可以显著改善拓扑绝缘体的ZT。由于非磁性杂质与无序可以极大地散射声子而几乎不影响边界电子态输运，拓扑绝缘体完美地实现了“电子晶体-声子玻璃态”，从而得到极高的ZT（>4）。他以stanene为例，预言通过优化stanene的几何尺寸，在stanene的纳米带体系中可实现大于3或4的ZT值。徐勇的这些发现为热电科学与技术指明了新的发展方向，为提高拓扑材料的热电效率提供了新的思路，引起了国内外同行的极大兴趣。

在徐勇的科研长途中，每一个阶段都有它独特的意义。中学时代的艰苦条件历练了徐勇勤奋刻苦的求学品质，清华时代的不懈努力成就了徐勇生命中的重要转折，德国系统的科研思维培养了徐勇精益求精的治学精神，美国传统的实用理念催生了他位列国际前沿的累累硕果。

如今，他入选第十一批“青年千人计划”回国，这一次同样是在清华，他将再次开启人生中一段新的旅程。