奮斗創(chuàng)未來 科學(xué)譜希望——訪中國科學(xué)院物理研究所研究員戴希

本刊記者 李 靈

奮斗創(chuàng)未來 科學(xué)譜希望
——訪中國科學(xué)院物理研究所研究員戴希

本刊記者 李 靈

“2011年6月17日，對中國科學(xué)院物理研究所研究員戴希來說，十分有意義。這天，他獲得了‘中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)’，和他一同獲該獎(jiǎng)項(xiàng)的還有9位青年學(xué)者。據(jù)報(bào)道，10位獲獎(jiǎng)青年學(xué)者的平均年齡為38.5歲，研究涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域。他們已成為各自研究領(lǐng)域的佼佼者，其中7人為中科院‘百人計(jì)劃’入選者。”

這是2011年6月中旬被各大媒體爭相報(bào)道的一則新聞。自古有云：“長江后浪推前浪”，縱觀世界科教歷史，年輕人發(fā)揮了巨大作用，他們是科學(xué)得以延續(xù)和創(chuàng)新的希望。而作為年輕人中的優(yōu)秀一員，戴希近年來所取得的成績，引來業(yè)界普遍關(guān)注。

典型的娃娃臉，隨意偏運(yùn)動(dòng)的穿著……戴希身上有很多特點(diǎn)使他看起來甚至比同齡人還更稚氣，更年輕。然而，也正因?yàn)檫@樣，才讓記者更深刻地感受到他身上所蘊(yùn)含的強(qiáng)大朝氣和創(chuàng)造力，加上言談舉止的莊重得體及思維的縝密，未來希望也因他而更讓人堅(jiān)定起來：中國科學(xué)有了這樣一群年輕人，何懼矣！

“如果說我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募绨蛏稀！彪m然年輕有為，戴希卻用科學(xué)巨匠牛頓的一句名言來強(qiáng)調(diào)前輩對自己的影響。要站到巨人的肩膀上并非易事，而要從塔尖上看到的廣袤、壯美的風(fēng)景，亦遠(yuǎn)非常人可以想象的。戴希的科研之路就是一條奮斗與收獲并進(jìn)之路。

站在巨人肩膀上

戴希，1971年7月21日生于浙江杭州，這一充滿富賈巨商的富饒之地。自小天資聰穎的他卻不愛從商偏愛從研，打小就對數(shù)理化，尤其是對物理有著濃厚的興趣。高考成績優(yōu)異的他考取浙江大學(xué)，卻在就業(yè)的壓力下選擇了材料系。學(xué)至中途，他發(fā)現(xiàn)自己依然割舍不下對物理的一份執(zhí)著與熱愛，在轉(zhuǎn)系不成的情況下毅然以“編外”的形式，自己到物理系當(dāng)起了旁聽生，并最終完成了兩門學(xué)科的學(xué)習(xí)任務(wù)。所以,從研究生階段開始，戴希毫不猶豫地回歸自己最初的物理夢想，開始了真正意義上的物理探尋之路.從此精勤不倦，樂此不疲。先后于1999年在中國科學(xué)院理論物理研究所獲得博士學(xué)位；1999年至2005年的6年間，在香港、美國等多個(gè)高等研究機(jī)構(gòu)開展強(qiáng)關(guān)聯(lián)理論及計(jì)算方面的研究工作；2005年入選中科院“百人計(jì)劃”，現(xiàn)任中科院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師。

在物理探尋世界里，戴希是一個(gè)一心向上，從不輕言放棄的人。為使自己的物理理論基礎(chǔ)更為扎實(shí)，讀博之前，他慕名找到時(shí)任中科院理論物理研究所所長，在我國理論物理方面有突出貢獻(xiàn)的蘇肇冰院士，表達(dá)了自己期望拜師門下的愿望，沒想到吃了“閉門羹”，蘇院士以自己擔(dān)任行政工作無暇帶好學(xué)生為由婉拒了他?？纱飨Ｒ廊粵]有放棄，執(zhí)意要考，并以出色的成績?yōu)樽约黑A得了面試的機(jī)會(huì)。最后其扎實(shí)的專業(yè)技能和執(zhí)著的精神打動(dòng)了蘇院士，終于如愿以償被收入門下。半年以后，戴希成長了起來，很多科研任務(wù)，甚至參加學(xué)術(shù)交流會(huì)議，恩師也放心交由他獨(dú)立去承擔(dān)。也正因這樣的培養(yǎng)方式，使戴希更快更好地成長起來。畢業(yè)前，他早已經(jīng)成為一名能夠在各方面獨(dú)擋一面的真正的“科研戰(zhàn)士”。

科研貴在積累，貴在不斷進(jìn)取。雖中科院給戴希提供了一個(gè)“起飛”的良好平臺(tái)，但深諳“山外有山人外有人”道理的戴希在獲得博士學(xué)位后，選擇了留學(xué)海外繼續(xù)深造，而多年在中科院所學(xué)所練，為他在美國工作期間有所收獲奠定了良好基礎(chǔ)。

在美國工作期間，戴希與科研團(tuán)隊(duì)一起開發(fā)了一套能與第一性原理計(jì)算相結(jié)合的動(dòng)力學(xué)平均場理論程序包，并利用這一程序包解決了凝聚態(tài)理論中一個(gè)難解之謎，即金屬Pu的第一性原理計(jì)算；他還提出了一個(gè)可以直接探測高溫超導(dǎo)材料贗能隙態(tài)的配對漲落的實(shí)驗(yàn)方案，并針對該方案進(jìn)行了理論上的計(jì)算。通過計(jì)算表明，超導(dǎo)配對漲落將在NS隧道結(jié)中引起很大的漲落噪聲，而在噪聲頻譜中，兩倍于節(jié)電壓處，將形成一個(gè)譜峰。這一預(yù)言，使得對贗能隙態(tài)配對漲落的直接觀察成為可能，對高溫超導(dǎo)電性的機(jī)理探索具有重要的意義。回想起在美國的研究經(jīng)歷及所見所聞所感，戴希感慨良多：“‘科學(xué)沒有國界，沒有身份尊卑之分’這句話在國外表現(xiàn)尤為明顯。在那兒，無論是白發(fā)蒼蒼的科研巨匠，還是初出茅廬的年輕學(xué)者，大家都有平等交流，自由言論的權(quán)利。而國外對科學(xué)成果自成一體，一代一代留傳下來的評判標(biāo)準(zhǔn)也較為正確，值得后一輩科學(xué)家學(xué)習(xí)，并貫徹實(shí)行?？茖W(xué)探索永無止境，唯有站在巨人的肩膀上，一代又一代傳承延續(xù)，才能與時(shí)俱進(jìn)，跟上世界的腳步。”

科研結(jié)碩果

雖然在國外小有成就，但在戴希心里，總裝著一個(gè)他認(rèn)為最能發(fā)揮自己所學(xué)的科研“伊甸園”，那就是曾經(jīng)賦予他夢想起飛的中科院。2005年，羽翼漸豐的他入選中科院“百人計(jì)劃”，回到中科院物理研究所。正如他所愿，院里給他提供了一個(gè)發(fā)揮所長的良好平臺(tái)，在各方的支持和自己的努力之下，戴希遞交了一份不錯(cuò)的科研成績單。

回顧并不算很長的科研生涯，戴希的主要學(xué)術(shù)成就集中在強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的第一性原理計(jì)算和拓?fù)浣^緣體的理論研究上。其中代表性工作包括：1）利用LDA+DMFT方法計(jì)算得到了金屬钚的聲子譜；2）提出并發(fā)展了LDA+Gutzwiller方法并應(yīng)用于強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的第一原理計(jì)算；3）通過計(jì)算預(yù)言以Bi2Se3為代表的多種拓?fù)浣^緣體材料，建立了相應(yīng)的低能有效理論，并提出了在這類材料中進(jìn)行磁性摻雜可能導(dǎo)致量子化的反常霍爾效應(yīng)。此外，還發(fā)現(xiàn)了一系列重要的拓?fù)浣^緣體材料，有力地推動(dòng)了有關(guān)拓?fù)浣^緣體的理論和實(shí)驗(yàn)研究。多項(xiàng)研究成果發(fā)表于國際一流刊物(包括Phys.Rev. Lett.14篇，SCIENCE3篇，Nature1篇，Nature Physics2篇)上，獲得國際同行的一致好評。據(jù)統(tǒng)計(jì)，SCI總引用次數(shù)達(dá)兩千八百多次。由于在拓?fù)浣^緣體方面的重要貢獻(xiàn)，戴希與其他六位同事一起，獲得了2011年度的“求是科技成就集體獎(jiǎng)”，相關(guān)的研究工作還入選了2010年度的中國科技十大進(jìn)展。

LDA+Gutzwiller方法

——一種全新的針對強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的第一性原理計(jì)算方法

戴希的重要成績之一就是提出了LDA+Gutzwiller方法——一種全新的針對強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的第一性原理計(jì)算方法。早在跟隨蘇肇冰院士學(xué)習(xí)的時(shí)候，他就在這一領(lǐng)域有過深入探索。

據(jù)戴希介紹，凝聚態(tài)理論的長足進(jìn)展已經(jīng)搞清楚了許多材料的物性問題，但是還存在一些疑難問題懸而未決，其中最突出的莫過于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的問題。所謂電子關(guān)聯(lián)，就是意味著電子和電子之間存在庫侖相互作用，傳統(tǒng)的能帶理論在處理固體中的電子系統(tǒng)時(shí)，首先是忽略了電子之間相互作用，將電子系統(tǒng)視為相互獨(dú)立的理想氣體，考慮單電子與晶體的周期結(jié)構(gòu)之間的相互作用，從而得到了固體的能帶結(jié)構(gòu)，然后再引入電子間的相互作用加以修正，但它并不適用于強(qiáng)關(guān)聯(lián)的電子體系，即電子間相互作用占主導(dǎo)地位的材料體系。

為了解決強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算問題，80年代以來發(fā)展了多種方法，其中目前得到較廣泛應(yīng)用的主要是兩種方法，即LDA+U和LDA+DMFT。多年的應(yīng)用實(shí)踐表明，LDA+U對于電子關(guān)聯(lián)的處理過于粗糙，而且不能處理不出現(xiàn)靜態(tài)長程有序（比如鐵磁、反鐵磁、軌道序等）的體系；而LDA+DMFT則限于其過于巨大的計(jì)算量，不能很好地應(yīng)用于許多大體系計(jì)算。近年來的研究趨勢表明，我們越來越需要一種既快速又精確的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，以用于復(fù)雜的實(shí)際強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的第一性原理計(jì)算研究。

從2006年開始，戴希和他的研究伙伴——方忠研究員在這方面進(jìn)行了艱苦的努力，終于在2007年底成功地提出了一種全新的針對強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的第一性原理計(jì)算方法，即LDA＋Gutzwiller方法。

這一計(jì)算方法用Gutzwiller變分法來有效地處理電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，因此對比LDA+DMFT方法，即保留了相當(dāng)高的計(jì)算精度，又極大地提高了計(jì)算速度，使之能應(yīng)用于許多實(shí)際體系的計(jì)算。同時(shí)他們從最基本的變分原理出發(fā)，構(gòu)造了“參考哈密頓量”，使得LDA+Gutzwiller方法有了一個(gè)更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為今后可能的改進(jìn)明確了方向。在完成了解析推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，他們又付出了巨大的努力，克服了種種技術(shù)上的困難，成功地實(shí)現(xiàn)了這一方法的程序化，與擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的BSTATE計(jì)算軟件包實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合。

LDA+Gutzwiller方法提出后，戴希及其研究團(tuán)隊(duì)把它應(yīng)用于各類過渡金屬化合物材料的計(jì)算研究之中。結(jié)果表明它完全解決了早先LDA計(jì)算與實(shí)驗(yàn)不符的問題。這一工作在PRL發(fā)表之后，得到了許多國際同行的好評和認(rèn)可。

鑒于LDA+Gutzwiller方法的良好效果，很多同行慕名而來學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，而戴希表示，目前，他們還在進(jìn)一步發(fā)展這一計(jì)算方法，計(jì)劃在兩年內(nèi)，把它發(fā)展成為各種功能齊全的，針對強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的計(jì)算方法。其中將包括：表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系在外場驅(qū)動(dòng)下的線性響應(yīng)、晶格動(dòng)力學(xué)性質(zhì)計(jì)算等等。

拓?fù)浣^緣體材料系列工作拓?fù)浣^緣體作為一個(gè)全新的領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)化前景。如果中國能夠把握先機(jī)，引發(fā)未來電子技術(shù)的新一輪革命，就能搶占未來電子信息行業(yè)的制高點(diǎn)，為此，國內(nèi)很多科學(xué)家投入到這場“戰(zhàn)爭”中。戴希的另一亮點(diǎn)工作之一就是在拓?fù)浣^緣體材料研究領(lǐng)域所做出的系列貢獻(xiàn)。

神奇而又有趣的拓?fù)浣^緣體材料

按照電子態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，傳統(tǒng)意義上的材料被分為“金屬”和“絕緣體”兩大類，而拓?fù)浣^緣體因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)而介于這兩大類之間。在拓?fù)浣^緣材料中，它不像傳統(tǒng)材料是通過電荷來攜帶信息，而是通過電子自旋來進(jìn)行信息的傳遞。所以在拓?fù)浣^緣材料中，信息的傳遞并不涉及耗散過程，通俗地說也就是不會(huì)發(fā)熱。

2005年，不需要強(qiáng)磁場和低溫條件下就可以工作的拓?fù)浣^緣材料被發(fā)現(xiàn)之后，立刻引起了科學(xué)界的重大關(guān)注，因?yàn)槟柖烧J(rèn)為，電腦的關(guān)鍵元器件晶體管會(huì)越來越小，同時(shí)隨著集成度的增大，電腦的計(jì)算能力會(huì)增加。但是隨著晶體管越小越密集，發(fā)熱問題也就會(huì)越突出，因此許多人預(yù)言摩爾定律將于2015年失效。而拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)將可能解決這個(gè)問題，在未來成為半導(dǎo)體材料的替代品，從而引發(fā)未來電子技術(shù)的新一輪革命。

據(jù)戴希介紹，最早發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體狀態(tài)，可以追溯到20多年前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)。美國科學(xué)家埃德溫·霍爾在19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)體在磁場作用下能使電流運(yùn)動(dòng)方向改變90°，這被稱作霍爾效應(yīng)。1980年，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場條件下，二維電子氣體會(huì)在電場驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生無損耗的橫向運(yùn)動(dòng)，這就是量子霍爾效應(yīng)。與無序運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致熱量產(chǎn)生相比，電子保持秩序狀態(tài)幾乎沒有能量損耗，也就是說不會(huì)發(fā)熱，這就是最早發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)讓人們對制造新型電腦芯片元器件充滿了希望。量子霍爾效應(yīng)也因此而分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)，開創(chuàng)了凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元。但由于這種效應(yīng)需要滿足強(qiáng)磁場和低溫這兩個(gè)條件，這樣的裝置離推廣使用無疑還很遙遠(yuǎn)。

2006年，美國斯坦福的張守晟研究組提出，在碲化汞量子阱體系中可能存在無需磁場而由本征材料能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拓?fù)浣^緣態(tài)，而這種特殊的拓?fù)浣^緣體態(tài)將引起非常有趣的量子自旋霍爾效應(yīng)。這一理論預(yù)言很快得到德國烏茲堡大學(xué)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。對于量子自旋霍爾效應(yīng)，科學(xué)家們解釋到：當(dāng)你擊打一個(gè)東西時(shí)，它通常會(huì)散開，還有可能反彈回來，但量子自旋霍爾效應(yīng)意味著你不能按照完全相反的路徑將其反射回去。由此造成的戲劇性效果就是電子毫無阻力的流動(dòng)，將一個(gè)電壓加到拓?fù)浣^緣體上，特殊自旋流就會(huì)產(chǎn)生，且不會(huì)造成材料的發(fā)熱。它同樣可以做到無能量損耗地傳遞信息，并且不需要強(qiáng)磁場和低溫。這一新發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們?yōu)橹駣^，這為未來的電子技術(shù)的發(fā)展開辟出了一個(gè)新的天地。拓?fù)浣^緣體的出現(xiàn)迅速成為現(xiàn)代凝聚態(tài)物理中的一個(gè)重要研究主題。

拓?fù)浣^緣體在中國

在國際掀起拓?fù)浣^緣體材料研究熱潮的同時(shí)，中國也在加緊相關(guān)研究工作。中科院物理研究所在很早就介入到拓?fù)浣^緣體的研究中，長期以來與“量子自旋霍爾效應(yīng)”提出者——張守晟研究組一直都保持著密切的合作，并在2009年取得了一系列突破性的進(jìn)展。

2009年初，戴希、方忠研究組與張守晟教授研究組預(yù)言了一類新的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料系統(tǒng)（Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3）。他們通過理論和計(jì)算系統(tǒng)地探討了這類材料成為強(qiáng)拓?fù)浣^緣體的物理機(jī)制。這類拓?fù)浣^緣體材料有著獨(dú)特的優(yōu)勢：它是最簡單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，便于理論模型研究，同時(shí)非常穩(wěn)定且容易合成，有可能會(huì)成為實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子學(xué)器件。該工作發(fā)表在英國的《自然物理》雜志上，得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和國際科技合作計(jì)劃的支持。在理論預(yù)言發(fā)表的同時(shí)，戴希、方忠研究組還積極與物理所內(nèi)外各相關(guān)的實(shí)驗(yàn)組合作，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，證實(shí)了理論預(yù)言的正確性。他們與美國斯坦福大學(xué)的沈志勛教授小組合作進(jìn)行的角分辯光電子能譜（ARPES)實(shí)驗(yàn)；配合本所的吳克輝研究員小組利用分子束外延技術(shù)制備了高質(zhì)量的Bi2Se3單晶薄膜；與本所的馬旭村研究員組、清華大學(xué)的薛其坤院士研究組合作，利用STM觀測到拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的螺旋狀自旋結(jié)構(gòu)；與物理所的何珂副研究員、清華大學(xué)的薛其坤院士小組合作利用ARPES觀測到拓?fù)浣^緣體的三維電子態(tài)到二維電子態(tài)的演化等。

值得一提的是，戴希研究組及其合作者們發(fā)現(xiàn)了在拓?fù)浣^緣體材料（Bi2Se3, Bi2Te3and Sb2Te3）的薄膜中通過磁性摻雜過渡金屬元素（C r或者Fe）可以實(shí)現(xiàn)量子化的反?；魻栃?yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為低能量耗散的新型電子器件設(shè)計(jì)指出了一個(gè)新的發(fā)展方向。該工作發(fā)表在美國的《科學(xué)》雜志上［R.Yu, et.al., Science, 3 June 2010,DOI:10.1126/Science.1187485，得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和國際科技合作計(jì)劃的支持。

戴希及研究同伴們所做的這一系列的工作，在國際上引起了很大的反響，使得物理所在拓?fù)浣^緣體的研究中再次走在了世界的前沿，很快成為目前世界上進(jìn)行拓?fù)浣^緣體研究的一個(gè)中心。

渴望“沃土”和“陽光”

“為了抉擇真理，我們應(yīng)當(dāng)回去；為了國家民族，我們應(yīng)該回去……”這是數(shù)學(xué)家華羅庚于1950年2月的歸國途中，給中國全體留美學(xué)生寫的一封公開信。

幾十年前，多少海外學(xué)子在這樣的倡議下踏上了歸國之路；幾十年過去，新時(shí)代的年輕人回國更多的是講求一種“小”而實(shí)在的心理。正如戴希之前所提到的，他回國沒有前人那般“華麗”的理由，只簡單地出于文化和習(xí)慣的需要，出于對中科院的眷戀。自始至終，戴希都認(rèn)為中科院才是最能讓他發(fā)揮所學(xué)的“歸宿”所在。這里有著全國科研機(jī)構(gòu)最好的科研氛圍，人才濟(jì)濟(jì)，可以專心科研，提倡自由，鼓勵(lì)創(chuàng)新……

但多年在外的工作經(jīng)歷也使戴希輕易地發(fā)現(xiàn)中國科研機(jī)制所存在的種種弊病，如研究人員參與科研活動(dòng)時(shí)間少，科研投入大多屬競爭性經(jīng)費(fèi)，爭取和實(shí)施過程耗費(fèi)大量時(shí)間、精力；國家過多干預(yù)人才招聘，存在過多阻礙人才發(fā)展的各種觀念和體制束縛等?！耙胧怪锌圃撼蔀槭澜缫涣鞯目蒲袡C(jī)構(gòu)，最關(guān)鍵的是擁有優(yōu)秀人才，國家應(yīng)該想辦法為優(yōu)秀人才提供‘肥沃的土壤’和‘充足的陽光’，同時(shí)應(yīng)該營造科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求真唯實(shí)、風(fēng)清氣正的創(chuàng)新文化氛圍，建好‘創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)’，‘規(guī)劃好森林，讓樹木自由生長’”。

“人的一生應(yīng)當(dāng)是這樣度過：當(dāng)一個(gè)人回首往事時(shí)，不因虛度年華而悔恨，也不因碌碌無為而羞愧……”對戴希等一批年輕科學(xué)家來說，這也許是他們奮斗路上最想要表達(dá)的心聲。不管世界如何變化，不管時(shí)代怎么改變，奮斗應(yīng)該是一代又一代年輕人堅(jiān)持的主題。