探索电子自旋新命题——记中国科学院上海技术物理研究所研究员王兴军

本刊记者 闫冬雪

探索电子自旋新命题
——记中国科学院上海技术物理研究所研究员王兴军

本刊记者 闫冬雪

当微观世界中结构、运动与变化规律被纳入量子力学的范畴时，科学家们才更加深切地意识到，来自微观世界的分子、原子，甚至是电子，居然能爆发于如此巨大的能量，于是有关原子、电子之类微小物质的特性被代代科学家们一一揭开。

1995年毕业于上海交通大学物理系的王兴军，在学习过程中越来越察觉物理学除了虚拟的概念理论之外，还需要转化为能够推动社会发展的产品。他在入读复旦大学物理系后，迅速走进更贴近社会发展需求的材料物理学研究领域。

无论是前期的基础理论物理，还是后来的材料物理学，无论是电子间的相互碰撞研究，还是探索电子自旋特性，在科研的实用性与社会发展的需求之间，他都在努力寻求平衡，并在此过程中，踏踏实实、一丝不苟地实践着、工作着。

“科研是为社会发展而服务的”

当19世纪末的物理学界，出现一些经典物理无法解释的现象时，量子力学诞生。与相对论构成现代物理学的两大柱石，支撑起了今后物理学家们的研究轴心。也正是认识到这一点，王兴军毅然选择了材料物理，选择了量子力学。

“科学要发展，那就应该不断有新的东西出现”，而材料物理学的研究内容恰恰能够给到他这种“新的东西”。

2000年初，复旦大学博士毕业的王兴军凭借优异的成绩，留校任教。3年的教学生涯，助推着他不断前行。为开拓更宽阔的视野，他选择了日本东北大学金属研究所做博士后研究，隶属樱井研究室。之后于次年飞往欧洲，来到瑞典林雪平大学材料物理系，4年的青春时光又献给了挚爱的材料物理世界。几年的留学经历，让他与微观世界的物质们“亲密对话”的资本更强了，也让他对这份“工作”更加虔诚与敬畏。

电子行业的快速发展，电脑、电视机、LED设备等现代化器械的多样化应用，催生着国内半导体电子市场的蓬勃发展。加之，国家对海外人才的高度重视、国内日益提升的实验设备、熟悉的社会生活环境，王兴军于2010年选择回国。

回到中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室的他，跟随国家对物理学领域的战略性要求，一边继续从事半导体电子材料物理研究，一边结合实验室发展需求，融入红外理论。

随着大规模集成电路的逐步应用，电子间的相互作用被要求更快更强，释放出更多的能量，才能够满足社会发展需求。但试想，在一个固定的空间里面，若对电子间的“碰撞”一味地加速度，那么速度的临界点在哪里？王兴军决定利用电子的自旋特性挑战一下自旋电子学的实际应用。

室温下电子自旋半导体的创建

2013年，王兴军所在团队与国外合作，发现通过利用非磁性半导体中导带电子的自旋来控制离子核自旋这一理论框架，可以实现在室温条件下对核自旋的控制，这为未来在室温条件下的量子计算机和核磁共振成像应用开辟了新的道路，在《Nature Communication》上一经发表，短时间内引起行业同仁的极大关注。看来，利用电子的自旋特性制作下一代的更优异性能的光电器件已成为大势所趋。

那么，电子自旋产生的巨大能量，需要控制哪些外界条件来充分地运用这些能量呢？

为了更深入地研究半导体材料中电子自旋的特性与运行条件，王兴军申请了国家自然科学基金项目——《基于GaNAs体系缺陷调控的新型自旋过滤器的物理特性研究》，试图通过光学取向、光探测磁共振和光探测电核双共振等实验手段，把GaNAs材料中的自旋依赖复合缺陷的结构和物理特性进一步拓展开来，为自旋电子学器件的优化提供理论支持。

GaNAs材料是把氮（N）引入非磁性材料砷化镓（GaAs）中产生的新型半导体材料。但在实验中显示，氮组成分的日益增多，材料的非辐射复合中心缺陷态越明显，连带着复合化合物材料的光学性能变差。电子自旋的方向可分向上、向下，那么通过如何控制电子的自旋方向来解决GaNAs材料的缺陷呢？

王兴军在调研中发现，早在2005年就有科学家指出室温下GaNAs材料的缺陷可以作为自旋过滤器来控制电子自旋。电子自旋的速度、方向、寿命等都与所爆发出的能量息息相关，能量的采集应用就与人类的实际生活、社会的发展紧密相连。自旋过滤器在电子自旋的过程中颇为关键，认识到这一点后，他不免对如何实现自旋过滤器产生了新的想法。

目前，铁磁半导体、稀磁半导体、碳纳米管、量子点等诸多方法都可以营造自旋过滤器来控制电子自旋。但“这些自旋过滤器效率很低且主要依赖于低温和强磁场下的工作环境，而且铁磁层也会影响其它电子器件的工作性能”，基于此，他在调研中发现氮与非磁性材料砷化镓相结合可以提高自旋过滤器的有效性。

事物存在多面性。这种自旋过滤器的引用又让王兴军陷入新一轮的思索：这种自旋过滤器在运行过程中，有无依赖性？

多项实验表明，他的思考是有效的。这种自旋过滤器是由氮在引入砷化镓后产生的缺陷态来控制电子自旋，那捕获截面的大小就成为控制电子自旋速度的关键。温度高，则捕获截面大，在以往低温状态下，活跃性反倒降低。

因此，在室温条件下，这种非磁性半导体自旋过滤器也可以工作，并且不需要外加磁场且易于其它电子器件相结合。这使得自旋LED、自旋晶体管和自旋半导体激光器的制造成为可能，将会带来电子世界的新一轮革新。

在接下来的实验过程中，王兴军表示将进行深入的纵向剖析研究，把氮在此缺陷中的位置搞清楚，另外采用连续光来判定测量缺陷的能级位置。这些问题的解决有利于非磁性半导体自旋过滤器的量化生产与应用，直接促进电子世界的快速发展，大大助益于人类社会文明。

踏实做科研 认真育人才

回国第二年，凭借优异的科研成绩与勤奋踏实的科研态度，王兴军入选中科院“百人计划”。最近这几年，他申请主持国家自然科学基金、科技部“973”重大项目专项课题、院三期创新项目、浦江人才计划项目及多项国家和省部级课题，一步一个脚印地跟随国家社会的发展需求，把自己的多年研究经验与国家空电探测的迫切需求结合起来，搭建了一个针对红外半导体材料缺陷及其光电特性的研究平台，为更多的科研工作者提供了一个信息共享的“园地”。

“我在日本东北大学时，导师告诉我们要work hard, work smartly”，王兴军讲道，后来到了瑞典做研究后，自由、开放的工作氛围又让他感受到另一种科研态度，那就是要“信息共享、合作共赢”。

同时他也把这两种不同的科研观渗入到日常的教学过程当中，鼓励学生要踏实努力的同时，也要勇于试错，敢于交流。思维只有通过多次的碰撞，才能产生不一样的火花。“可能最终的实验结果会和最初的实验设想有偏差，可能一些材料本没什么新意，但在具体的实验过程中也会有意想不到的发现，科研就是探索的过程”，他认为敢于尝试非常重要。

十余年的科研经历，众多的科研成果与荣誉，是在把困难“碾碎”之后才取得的。面对意料之外的压力与挑战，王兴军的解压方式很简单，那就是出去打打篮球、运动运动，告诉自己“明天又是新的一天”，让身体和心灵得到双重调节后，再投入到日常的科研与教学过程中。

电子科技的发展让我们快速步入到一个未曾想到过的快捷、舒适的世界，与电子材料、器件相关的工具是支撑这个世界快速“奔跑”的基石。在这个世界的“幕后”，有许多像王兴军这样默默地与“基石”打交道的科研工作者，他们用智慧与努力为科技的发展不断铺路。记者坚信，他们会创造出更多的精彩。