磁性材料领域的探索者

徐强

磁性材料，如铁、钴、镍金属，是古老而用途十分广泛的功能材料。随着科学技术的发展，关于磁性材料的研究也得到了广泛的关注。2016年12月17日至18日，关于新型拓扑磁性材料的学术研讨会在合肥物质科学研究院举行。会议围绕拓扑磁性的基本原理、拓扑特性等前沿问题开展了广泛的交流和讨论。鉴于拓扑磁性材料表现出来的獨特特性与巨大的应用前景，日本、法国、美国、德国等国家都在加大投入进行相关物性以及器件的研究，并取得了一系列重要的结果。相对来说，国内涉足这一领域起步较晚，但发展趋势良好。在国内拓扑磁性材料的研究发展过程中，北京航空航天大学的刘知琪教授作为一名探索者不畏困难勇敢前行。

名师引路，塑造严谨的科学思维

刘知琪教授，1989年7月出生于甘肃省清水县。高中就读于清水县第一中学，2005年毕业以全县应届理科第一名总分641的优异成绩进入兰州大学物理学国家基地班学习。兰州大学虽地处偏僻，但本科生教育十分扎实，当时有一批德高望重的教学名师，如教授量子力学的钱伯初先生和教授热力学的高崇伊先生等，这也使刘知琪教授在本科基础知识学习阶段大受脾益。此外，物理学国家基地班的同学都非常优秀，人人思维独特，创新意识强，学习钻研氛围浓厚，这样的学习环境对班里每个人的思维拓新起到了很大的作用。刘知琪教授在这样的氛围下学习生活了4年，也为他日后塑造严谨的科学思维打下了坚实的基础。

2009年本科毕业后刘知琪进入新加坡国立大学攻读凝聚态物理博士学位，师从T. Venky Vekatesan教授。Venky教授在氧化物电子学领域有很大的影响力， Venky教授在材料物理方面知识积累非常雄厚，思维极具创造性，对自己学生的培育方式也十分独特：Venky教授注重给学生充分的自由，他不会给每个人指定研究课题，而是鼓励学生在各种组会上多听、多想，力求让每个学生独立思考，发现自己感兴趣的课题；同时他鼓励学生创业，在他的帮助下，十多名学生成立了自己的公司；他非常重视培养学生的英语交际能力，鼓励每个非英语国家的学生从一开始就坚持用英语进行学术交流，多参加国际学术会议，他会亲自纠正学生的发音和修改每个学生英文写作中的语病。这样的模式不但没有让学生“放羊”，反而培养了学生的独立科研和主动探索能力。在当时新加坡国立大学Venky教授担任主任的NUSNNI-Nanocore研究中心，实验室每天24小时随时都有人在进行实验研究，科研氛围相当浓厚。刘知琪在Venky 教授的实验室进行钙钛矿氧化物薄膜电性、磁性、光学特性的研究。在Venky 教授独特的培养过程中，刘知琪坚持用英语进行学术交流，不仅仅在科学研究的知识上有了重大收获，同时他也在日复一日的科学研究中形成了刻苦严谨的研究习惯，形成了独立的科研探索能力，塑造了严谨的科学思维。受Venky教授的熏陶，刘知琪在博士第二年就在物理学顶级期刊Physical Review Letters [107， 146802 （2011）]上发表了钙钛矿氧化物SrTiO3薄膜中氧空位引发金属-绝缘相变的研究，并类比磁性材料中“自旋玻璃”的概念，独立提出了“电荷玻璃”的想法，用来表征特定低温电子局域态。

2013年底，刘知琪博士毕业。随后，他进入美国橡树岭国家实验室和加州大学伯克利分校从事铁电/铁磁多铁异质结博士后研究，合作导师为美国工程院院士、铁电多铁领域著名学者Ramamoorthy Ramesh教授。源于对材料性能的精益求精，Ramesh教授对团队成员的要求非常严格，这也对刘知琪在磁性薄膜研究方面的影响非常大。每一种材料，为了达到高质量薄膜制备，刘知琪往往要在不同条件下连续尝试几百个样品，并不停地进行测试。当时，不论节假日，刘知琪每天至少研究三批薄膜样品成了一种基本科研习惯。然而，即使经过很多努力，有些材料的制备也不一定能成功，但突破往往就在即将要放弃却再坚持一点的边缘。刘知琪在不断探索的过程中并没有放弃，在这种经过两年多高强度的不懈努力，刘知琪在金属磁性合金在氧化物上外延生长及通过外加电场调控磁性方面取得了一些突破性成果，以第一作者在Nature Communications， Physical Review Letters和Advanced Materials等顶级期刊上发表了相关研究成果。荣誉的背后是不断重复几百甚至上千个样品的尝试，一次次的尝试一次次的研究也磨练了刘知琪的性格，塑造了他严谨的科学思维。蓬生麻中，不扶自直。求学期间，在名师的指导下，在浓郁的科学氛围的影响下，刘知琪教授形成了严谨的科学思维，这也是他能够在磁性材料领域取得重大成就的原因。

刻苦钻研， 探索磁性材料领域新高度

刘知琪教授目前的研究方向是先进磁性材料，具体的研究领域有磁性薄膜材料， 功能氧化物新奇电性、磁性、光学特性，铁电多铁材料及异质结和拓扑电子体系电性磁性研究等。基于读取博士学位期间对于钙钛矿氧化物SrTiO3薄膜中氧空位引发金属-绝缘相变的研究，刘知琪教授进一步探究钙钛矿氧化物NdGaO3 （NGO）中新奇紫外和蓝色荧光以及“超氢掺杂NGO。作为磁性材料领域的一名探索者，刘知琪教授运用自己丰富的知识，坚持不懈的进行实验。经过大量的实验探索，刘教授得出结论：室温下的NGO被高强度325nm激光激发后会发出很强的紫外及蓝光（通常用于荧光照明），发光峰由电子在稀土原子Nd的原子能级之间的跃迁所决定。另外，微量Ce4+离子掺杂能显著抑制NGO的荧光发射。这是因为：Ce替换掉Nd后相当于对NGO进行电子掺杂，多余的一个电子在NGO中的电子云分布范围，类似于氢原子的玻儿半径（0.53A），和材料的介电常数成正比；由于很多钙钛矿氧化物材料的介电常数比较大，如NGO介电常数约为20，SrTiO3的介电常数为300，使得这种类氢掺杂电子的电子云半径很大，达到nm甚至10nm量级，故名为“超氢掺杂”；当Nd原子的基态电子被激光激发到高能级以后，如果周围有这种“超氢电子”，它就很可能不向低能级跃迁发光，而是通过散射将能量转移给超氢电子，从而抑制发光。实验发现，只需要5%的Ce原子掺杂就可以完全抑制NGO的荧光发射。同时，这种超氢掺杂有可能通过RKKY作用而改变Nd3+磁矩之间的磁性耦合。

刘知琪教授虽然年轻，却在磁性材料的研究领域有了自己的一席之地。2016年，他获批中组部“第十二批青年千人计划”。作为一名探索者，他独立严谨的科学思维，认真坚持不懈的科学态度是他成功的关键。在未来的几年中，刘知琪教授将在以前铁磁材料研究的基础上，着重开展拓扑磁性材料、反铁磁/亚铁磁自旋电子学以及原子尺度氧化物界面新奇磁性的研究。我们期待着，刘知琪教授作为探索者，带领自己的研究小组探索磁性材料领域新高度。endprint