徐勇：凝聚態(tài)物理世界的“漂亮推導(dǎo)”

汲曉奇

在徐勇看來，清華大學(xué)是他生命中的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。他來自湖南益陽一個(gè)普通的農(nóng)村家庭，從初中開始寄宿，高中在當(dāng)?shù)財(cái)?shù)一數(shù)二的“苦學(xué)?！币恍目嘧x，最終圓夢(mèng)清華。

清華帶給徐勇的既有開啟科研之旅的機(jī)遇，也有高手如云環(huán)境下奮發(fā)圖強(qiáng)的壓力，“感覺自己來清華以后比高三時(shí)還累，但回想過去那些艱苦中奮斗的日子，總是感到輕松而愉悅。”就像他熱衷的理論推導(dǎo)一樣，過程循序漸進(jìn)，結(jié)果水到渠成，他用勤奮與智慧演繹著凝聚態(tài)物理世界的“漂亮推導(dǎo)”。

扎根熱與電的園地

人們總是賦予清華學(xué)子太多的光環(huán)，然而徐勇并不諱言，本科畢業(yè)前夕他也曾迷茫過，當(dāng)時(shí)兩個(gè)班的同學(xué)有一半轉(zhuǎn)行金融業(yè)，一邊是繁華熱鬧的商業(yè)街，一邊是寂寞冷清的科研路，何去何從？徐勇說：“我從小就喜歡物理，在物理世界中，掌握了基本原理就可以進(jìn)行無限的推導(dǎo)，有時(shí)用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程就可以描述一個(gè)世界，整個(gè)推導(dǎo)過程看起來很漂亮?！睉{著對(duì)理論推導(dǎo)的熱愛，他不忘初心，選擇了科研漫漫征途。

在清華大學(xué)高等研究院讀研期間，徐勇師從中國科學(xué)院院士顧秉林，研究量子熱輸運(yùn)的理論計(jì)算方法。高研規(guī)模雖不大，但是有開放自由的學(xué)術(shù)環(huán)境。除了研究量子熱輸運(yùn)，徐勇還對(duì)第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算感興趣。熱與電的研究是相通的，徐勇有研究電的背景，所以在熱的領(lǐng)域也有很多等待他開墾的“園地”。

熱輸運(yùn)是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)最重要的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一。雖然經(jīng)典理論適用于宏觀體系，但為了在原子層描述和理解熱輸運(yùn)的量子行為還需要發(fā)展新的理論方法。這對(duì)鐘情理論推導(dǎo)的徐勇來說就像一片新開發(fā)的沃土，他在博士期間獨(dú)立地發(fā)展了一套基于第一性原理的非平衡格林函數(shù)方法，用于模擬實(shí)驗(yàn)材料和器件中聲子的量子運(yùn)輸，并實(shí)現(xiàn)了該方法的Fortran編程，基于第一性原理計(jì)算和非平衡格林函數(shù)方法，徐勇在熱與電這片沃土上盡情耕耘。

清華大學(xué)是徐勇開展科學(xué)研究的起點(diǎn)，但不是終點(diǎn)。獲得博士學(xué)位后，徐勇來到了德國馬普學(xué)會(huì)Fritz-Haber研究所從事博士后工作研究，并獲得了洪堡獎(jiǎng)學(xué)金，受到德國總統(tǒng)接見。這個(gè)德國最早成立的研究所之一有著傳統(tǒng)的科學(xué)思維訓(xùn)練系統(tǒng)，要求學(xué)者對(duì)科研一絲不茍，發(fā)表一篇論文往往需要修改六七十次，具體到文章中的某一句話該如何表達(dá)都有嚴(yán)格要求。

在Fritz-Haber研究所，徐勇的工作以深入的基礎(chǔ)研究為主，發(fā)表的論文寥寥無幾，他坦言這是人生比較壓抑的時(shí)期，“在那里將近3年的時(shí)間并沒有發(fā)表多少研究論文，但是一個(gè)人在成長(zhǎng)過程中會(huì)遇到各種不順，關(guān)鍵是遇到挫折的時(shí)候能夠堅(jiān)持下去?！边@段經(jīng)歷為徐勇之后的研究奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

隨后，徐勇到美國斯坦福大學(xué)跟隨張首晟教授從事拓?fù)浣^緣體和熱電材料的相關(guān)研究。美國的學(xué)術(shù)氛圍非?；钴S，交流過程中很容易碰撞出好的想法，加之在德國受到的一套系統(tǒng)的學(xué)術(shù)思維訓(xùn)練使徐勇在熱與電的領(lǐng)域內(nèi)游刃有余，他發(fā)表的多篇論文獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)同。

發(fā)現(xiàn)新型拓?fù)洳牧?/p>

20世紀(jì)60年代，摩爾提出了著名的摩爾定律，即集成電路的芯片密度每?jī)赡攴环ｋS著集成電路集成度的增加，器件尺寸日益變小，器件單位面積消耗的功率成指數(shù)增長(zhǎng)，產(chǎn)生的焦耳熱也越來越多，這部分焦耳熱如果不能有效地散發(fā)出去，便會(huì)極大地影響電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行，所以解決大規(guī)模集成電路的功耗和散熱問題顯得尤為重要。解決該問題有很多途徑，徐勇介紹說，一種是設(shè)計(jì)低能耗電子器件，第二種是在熱輸運(yùn)的控制中尋找散熱性能好的新型材料，第三種是開發(fā)新能源。他關(guān)注這三方面的研究，并取得了一些成績(jī)。

什么是低能耗電子器件？徐勇打了一個(gè)形象的比喻：電子在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)就像開車，雜亂無章的交通路段會(huì)降低車速。對(duì)電子而言，運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙（對(duì)應(yīng)于材料中缺陷和雜質(zhì)）越多，電子越需要迂回繞行以躲避路障，電阻就會(huì)越大；如果導(dǎo)電通道內(nèi)的電子都朝一個(gè)方向走，那么，這樣的到點(diǎn)通道就像是電子的高速公路，電阻小，耗散低。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們一直在努力尋找室溫下無耗散的導(dǎo)電通道，以期實(shí)現(xiàn)無需低溫冷卻的零電阻導(dǎo)電。

拓?fù)浣^緣體是一類具有絕緣體態(tài)和受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬邊界態(tài)的新型量子材料，在無耗散導(dǎo)電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2006～2007年期間，張首晟教授發(fā)現(xiàn)二維拓?fù)浣^緣體支持量子自旋霍爾效應(yīng)，它們的邊沿態(tài)因受拓?fù)浔Ｗo(hù)而無背散射，很有希望應(yīng)用于零電阻電子輸運(yùn)。2013年，徐勇在此基礎(chǔ)上預(yù)言了一種名為stanene（錫烯）的新型拓?fù)洳牧希蓡卧訉拥腻a構(gòu)成，它的邊沿態(tài)在室溫下可以實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。作為一類新型的量子自旋霍爾絕緣體，stanene及其相關(guān)材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：它們的體能隙相當(dāng)大，支持室溫下的各種實(shí)際應(yīng)用，通過化學(xué)修飾和外應(yīng)力可以有效調(diào)控量子自旋霍爾態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)有利于設(shè)計(jì)更快、更有效的微芯片。

有關(guān)stanene的預(yù)測(cè)一經(jīng)發(fā)表便被Scientific American、Nature News和其他雜志廣泛報(bào)道，德國、中國以及Stanford和UCLA的實(shí)驗(yàn)室隨即展開了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。2015年8月，他與上海交通大學(xué)的賈金峰和錢冬組合作，首次在實(shí)驗(yàn)中生長(zhǎng)出單層stanene結(jié)構(gòu)，該成果發(fā)表在Nature Materials雜志上，掀起了stanene研究的熱潮。

提高拓?fù)浣^緣材料的熱電效率

每一個(gè)科學(xué)家都有一顆樸素的報(bào)國心，他們希望自己的科研成果能夠有用武之地，特別是那些關(guān)系國計(jì)民生的重要領(lǐng)域，徐勇也如此，他對(duì)能源和環(huán)境問題尤其關(guān)心。

相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，汽車能源消耗的70%以熱能的形式耗散掉，如果將這些能量轉(zhuǎn)化為電能加以回收利用，可以極大地緩解當(dāng)前的能源危機(jī)。美國10年前計(jì)劃用熱電回收汽車尾氣，現(xiàn)在已接近投入商業(yè)化生產(chǎn)階段，預(yù)計(jì)可將汽車燃油效率提高10%。

熱電材料是一種功能材料，它可以利用溫度差產(chǎn)生電壓，從而用于廢熱回收；它也可以將電流轉(zhuǎn)化成熱流，用于制冷。顯然，熱電材料的使用可以為能源和環(huán)境問題做出重大貢獻(xiàn)，尋找高性能的熱電材料一直是材料科學(xué)追求的目標(biāo)，但熱電材料目前存在的最大問題是效率不高。熱電材料的效率主要取決于品質(zhì)因子ZT，目前世界上ZT值為1的記錄至今已經(jīng)保持了幾十年。徐勇提到，如果能把ZT值提高到3～4，熱電材料就可以為傳統(tǒng)電器行業(yè)帶來革命性影響。

“拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)給熱電研究帶來了新的發(fā)展契機(jī)，因?yàn)樵S多拓?fù)浣^緣體本身即是很好的熱電材料?！币恢币詠?，ZT被認(rèn)為是熱電材料的本征屬性，所以ZT值的改變很困難。然而，徐勇通過研究發(fā)現(xiàn)，與通常的材料不一樣，拓?fù)浣^緣體的ZT并不是熱電材料的本征屬性，它可以依賴幾何尺寸發(fā)生改變，傳統(tǒng)的ZT定義因此不再適用，他重新給出了一個(gè)廣義的ZT定義。

在新的ZT定義基礎(chǔ)上，徐勇提出，優(yōu)化拓?fù)浣^緣材料的幾何尺寸可以顯著改善拓?fù)浣^緣體的ZT。由于非磁性雜質(zhì)與無序可以極大地散射聲子而幾乎不影響邊界電子態(tài)輸運(yùn)，拓?fù)浣^緣體完美地實(shí)現(xiàn)了“電子晶體-聲子玻璃態(tài)”，從而得到極高的ZT（>4）。他以stanene為例，預(yù)言通過優(yōu)化stanene的幾何尺寸，在stanene的納米帶體系中可實(shí)現(xiàn)大于3或4的ZT值。徐勇的這些發(fā)現(xiàn)為熱電科學(xué)與技術(shù)指明了新的發(fā)展方向，為提高拓?fù)洳牧系臒犭娦侍峁┝诵碌乃悸?，引起了國?nèi)外同行的極大興趣。

在徐勇的科研長(zhǎng)途中，每一個(gè)階段都有它獨(dú)特的意義。中學(xué)時(shí)代的艱苦條件歷練了徐勇勤奮刻苦的求學(xué)品質(zhì)，清華時(shí)代的不懈努力成就了徐勇生命中的重要轉(zhuǎn)折，德國系統(tǒng)的科研思維培養(yǎng)了徐勇精益求精的治學(xué)精神，美國傳統(tǒng)的實(shí)用理念催生了他位列國際前沿的累累碩果。

如今，他入選第十一批“青年千人計(jì)劃”回國，這一次同樣是在清華，他將再次開啟人生中一段新的旅程。