孫周洲：在交叉科學中探索與前行

本刊記者 劉玉杰

編前語：

80年代以來，凝聚態(tài)物理學取得了巨大進展，研究對象日益擴展，更為復雜。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的固體物理各個分支如金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理和電介質(zhì)物理等的研究更深入，各分支之間的聯(lián)系更趨密切;另一方面許多新的分支不斷涌現(xiàn)，如強關聯(lián)電子體系物理學、無序體系物理學、準晶物理學、介觀物理等。從而使凝聚態(tài)物理學成為當前物理學中最重要的分支學科之一。并且，由于凝聚態(tài)物理的基礎性研究往往與實際的技術應用有著緊密的聯(lián)系，凝聚態(tài)物理學的成果是一系列新技術、新材料和新器件，在當今世界的高新科技領域起著關鍵性的不可替代的作用。

2011年4月25日，臺北市，一年一度的IEEE國際磁學會議（InterMag）正在進行中。這是一次國際磁學界的盛會。突然間，觀眾席上響起了雷鳴般的掌聲，一個年輕人走上講臺上，為大會做特邀報告。他就是孫周洲，大會的分會主席，中國理論凝聚態(tài)物理領域的杰出學者。

孫周洲，1999年本科畢業(yè)于浙江大學物理系，2006年在香港科技大學物理系取得博士學位，導師為著名理論凝聚態(tài)物理專家，國家“千人計劃”入選者王向榮教授。孫博士曾在香港科技大學、香港城市大學擔任研究員。之后入選德國國家級基金—亞歷山大馮洪堡基金會的資助，在德國雷根斯堡大學理論物理所擔任洪堡研究員。2011年回到中國，現(xiàn)為蘇州大學物理科學與技術學院特聘教授。他曾參與了國內(nèi)外多項科研項目，至今共發(fā)表SCI論文33篇，包括多篇高影響因子的論文：3篇Phys.Rev.Lett.,多篇Phys.Rev.B, Appl.Phys.Lett.等，論文總引用次數(shù)329次，他引275次，h指數(shù)等于9。

定位前沿，挑戰(zhàn)尖端

孫周洲的研究重心定位于“納米磁電子學”領域，屬于“自旋電子學”領域范疇。這是一個當今非常熱門，極具吸引力的科學前沿。這個新興領域，既有純學術問題的探討，又有巨大的工業(yè)應用前景。從工業(yè)應用方面來說，納米磁電子學或自旋電子學是新一代磁相關產(chǎn)業(yè)的理論基礎，有數(shù)據(jù)表明，國際上磁相關產(chǎn)業(yè)的增長正在趕超現(xiàn)有的半導體工業(yè)產(chǎn)值。正如美國自然科學基金會指出的，“巨磁阻效應”（GMR)引發(fā)的新一輪自旋納米器件的研發(fā)和納米自旋電子學的理論研究熱潮，將會推動新一輪工業(yè)革命的到來。磁信息產(chǎn)業(yè)將會包括，新一代磁性硬盤、磁性內(nèi)存，磁傳感器，全金屬化自旋晶體管，磁性邏輯元件等等，具有高速，低功耗，量子相干性強，非易失性，高可靠性等諸多優(yōu)點。

孫周洲簡明地介紹了他的主要研究內(nèi)容：一是介觀或納米尺度下的自旋電子學及納米磁性系統(tǒng)中的磁矩動力學研究。比如通過施加磁場或自旋極化電流造成在磁性納米顆?；蚣{米線中的磁矩翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的研究；二是介觀或納米尺度下的電子輸運現(xiàn)象的研究。比如在超晶格，量子點/線/井，石墨烯，二維電子氣等系統(tǒng)中，理論研究電子在其中的量子輸運現(xiàn)象。

“自旋電子學”、“納米磁電子學”？這些名詞不光對于我們這些非專業(yè)的人來說是頭一次聽到，就是相對專業(yè)人士也是比較陌生的名詞。它們與凝聚態(tài)物理學有著怎么的關聯(lián)？

孫周洲接著介紹說，從純學術方面來說，納米磁學是傳統(tǒng)磁學的延伸。傳統(tǒng)磁學雖然古老，但仍有眾多問題未從理論上給予最終理解，納米磁學的研究為磁學研究打開了的一個全新的視角，勢必能促進對磁學學科的發(fā)展。例如近年來發(fā)現(xiàn)的“龐磁阻效應”（CMR）表明Mn基鈣鈦礦氧化物系統(tǒng)是一個具有極豐富物理的強關聯(lián)體系，而強關聯(lián)系統(tǒng)一直是凝聚態(tài)理論物理的最有挑戰(zhàn)性的領域。另外，由于自旋是非常優(yōu)秀的量子位的物理基礎，因此，關于自旋電子學的理論研究可促進當今另一重大科研前沿-量子計算機的實現(xiàn)及發(fā)展。

當問到孫周洲為什么選擇這樣一個充滿挑戰(zhàn)的研究領域時，他原本平靜的表情開始豐富起來，眼神也跟著閃爍。看得出來，他是如此熱愛這項工作，以致于那些艱難、那些迷茫都不算什么了。從“凝聚態(tài)物理學”、“自旋電子學”、“納米磁電子學”……孫周洲正是被這樣一個五彩斑斕變幻莫測而又充滿著無限可能的科學世界所吸引，并深深的投入、沉浸。不畏挫折，不斷探索，在這樣紛繁交叉的領域中取得了一系列的創(chuàng)新成果。

敢于創(chuàng)新，敢于突破

一分耕耘，一分收獲。經(jīng)過多年的探索與實踐，孫周洲在兩個重要的研究領域取得了突破，形成了極有分量的學術成果：

一是在半導體超晶格中的非線性電學輸運理論方面，他提出了多個創(chuàng)新性概念。他將非線性科學中的極限環(huán)振蕩理論用于半導體物理領域，在理論上預言了電流自振蕩在交流下的鎖頻現(xiàn)象，并且很快獲得了實驗驗證。這項成果的創(chuàng)新性及科學價值表現(xiàn)為：將半導體物理領域與非線性科學領域的知識交叉思考結(jié)合，提出一套用非線性語言來解釋半導體物理領域的思路和途徑，并可相應的推廣至其它的物理系統(tǒng)，具有一定的普適性。在應用價值上，超晶格中的電子自振蕩現(xiàn)象可用于制造高頻THz納米級固態(tài)電子振蕩器。而孫周洲提出的極限環(huán)振蕩及相應的鎖頻理論，均可為今后超晶格振蕩器的工業(yè)應用提供良好的理論指導和依據(jù)。這一理論成果使他在第14屆全國半導體物理會議上做特邀報告。相關的多項工作以第一作者發(fā)表在Phys.Rev.B、Appl.Phys. Lett.、New Journal of Physics等國際重要物理期刊上。

二是在納米磁學及自旋電子學領域中的磁矩動力學調(diào)控理論方面，孫周洲在其中做出了多項理論突破。包括磁矩動力學的非線性翻轉(zhuǎn)理論；采用任意含時磁脈沖或圓偏振微波可以極大地降低臨界矯頑場從而減少能耗的方法；理論上解析找到了最優(yōu)翻轉(zhuǎn)磁脈沖的精確形式。此外，在使用自旋極化電流驅(qū)動磁化所謂當前凝聚態(tài)物理最前沿之一的課題上，孫周洲也做出多項突破性工作，包括優(yōu)化調(diào)節(jié)電流極化方向、加速磁疇壁運動，提出兩體磁顆粒中的零場翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。取得的多項成果以第一作者發(fā)表在Phys.Rev.Lett.（物理類頂級雜志）、Phys.Rev.B、Europhys. Lett.等國際一流物理期刊上。并在德國著名的Springer學術出版社出版的學術書籍“Nanoscale Magnetic Materials and Applications”中合作撰寫了一章工作綜述。

孫周洲將傳統(tǒng)的磁學領域與非線性科學領域的知識交叉思考結(jié)合，創(chuàng)造性地提出了采用含時磁場或電流操控磁矩動力學的理論框架，這在之前幾乎無人涉及。在經(jīng)濟價值上，磁矩動力學行為的物理理解對于超高密度存儲介質(zhì)（如硬盤），磁性內(nèi)存，磁性邏輯器件等具有極其重要的理論指導意義。因此，提出的降低矯頑場（即減少能耗）的研究成果對磁化、存儲工業(yè)具有極重要的經(jīng)濟意義。而微波輔助磁矩翻轉(zhuǎn)的提議已經(jīng)得到了許多實驗驗證，微波輔助降低矯頑場已有趨勢發(fā)展成為磁學領域的一個重要專題方向。另獲得的最優(yōu)磁化脈沖的精確解形式，確信也會對今后的磁學實驗及信息工業(yè)界提供重要的理論依據(jù)，對今后的低能、快速讀寫磁頭工業(yè)前景具有重要的指導意義。此外，孫周洲提出的通過調(diào)節(jié)優(yōu)化電流自旋極化方向，從而降低自旋極化電流驅(qū)動磁化方式下的臨界電流值，為解決此工業(yè)技術瓶頸提供了一個重要的理論解決方案。

目前孫周洲即將開展的是2013年國家自然科學基金面上項目：自旋轉(zhuǎn)移矩微波發(fā)生器的最優(yōu)構型的理論分析及模擬。他充滿信心地說，納米磁電子學是一個新興學科，對于我國信息產(chǎn)業(yè)趕超國際信息工業(yè)的新一輪發(fā)展具有極重要的意義，因此如果能增加投入，吸引更多優(yōu)秀的學者、年輕人從事這一方向的理論及實驗研究，提出及制造新型的自旋功能器件，勢必能為我國的信息工業(yè)發(fā)展帶來巨大的生命力。

未來他仍將把工作的重心放在納米磁電子學的理論研究，在自旋極化電流驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)這一當前凝聚態(tài)物理最前沿之一的課題上探索與前行。

結(jié)語：

人類從古代科學時期對科學認識的直觀，到近代科學時期對科學認識的分化，再到現(xiàn)代科學時期，科學的發(fā)展正逐漸把人為分解的各個環(huán)節(jié)又重新整合起來。近100多年間，交叉科學正消除著各學科之間的脫節(jié)現(xiàn)象、填補了各門學科之間邊緣地帶的空白、將條分縷析的學科聯(lián)結(jié)了起來，而越來越多的學者正綜合運用多種學科的理論和方法研究復雜的客體，不遺余力的踐行著科學的整體化。孫周洲，我們期待他帶給我們更多的驚喜。