遨游神奇的材料世界

遲艷艷

集成電路的發(fā)明，引爆了智能電子產(chǎn)品的潮流;巨磁阻材料的發(fā)現(xiàn)，促使了計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展;藍(lán)光LED的出現(xiàn)，開辟了照明的新紀(jì)元……循著2000年、2007年、2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的脈絡(luò)，我們不能忽視的是，材料學(xué)科的每一次進(jìn)步，推動(dòng)著科技時(shí)代的進(jìn)程。

近十幾年，先進(jìn)材料研究成果密集涌現(xiàn)，有人斷言21世紀(jì)將是材料革命的時(shí)代。石墨烯是當(dāng)前最神奇的材料之一，是最薄、最堅(jiān)韌的納米材料，具有很多特殊的物理性質(zhì)，一旦能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，將帶來一場深刻的工業(yè)革命，極大地改變?nèi)藗兊纳?。因此，石墨烯是?dāng)今世界最熱門的研究熱點(diǎn)之一，各國政府都投入巨大的人力物力從事相關(guān)研究，比如2013年歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目為此列支了10億歐元的巨額經(jīng)費(fèi)。其中兩個(gè)重要的研究方向就是基于石墨烯的磁性材料和拓?fù)浣^緣性材料。

“80后”科研工作者胡軍在材料領(lǐng)域樂此不疲，在磁性納米結(jié)構(gòu)的磁各向異性，金屬多層膜、金屬/鈣鈦礦氧化物界面的磁性調(diào)控，拓?fù)浣^緣體的帶隙及邊緣態(tài)的理論設(shè)計(jì)中取得了一系列原創(chuàng)性成果，以拼搏向上的青年學(xué)者姿態(tài)奔跑在該領(lǐng)域的前沿。

探索磁性材料的奧秘

磁性材料是一種古老而用途十分廣泛的功能材料，與信息化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、國防、國民經(jīng)濟(jì)等方方面面緊密相關(guān)。2009年，胡軍漂洋過海來到美國加州大學(xué)爾灣分校，師從磁性材料研究領(lǐng)域的國際知名專家，就此與磁性材料結(jié)緣。到現(xiàn)在，胡軍已在磁性材料方面取得了一系列原創(chuàng)性的研究成果。

有機(jī)分子磁體，特別是鐵酞菁分子（FePc）是自旋電子學(xué)領(lǐng)域中的熱門研究對象，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FePc分子被放置在Cu（110）襯底上時(shí)其自旋取向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，但其機(jī)理尚不清楚。對此，胡軍展開了深入系統(tǒng)的研究，解釋了這一現(xiàn)象。其研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ePc分子與襯底間的電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致自旋取向翻轉(zhuǎn)，并發(fā)現(xiàn)其磁電效應(yīng)非常顯著。胡軍預(yù)測，通過外加電場調(diào)節(jié)電荷轉(zhuǎn)移，可以操控FePc分子的自旋取向，這一性質(zhì)在自旋電子器件中具有極大的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作是關(guān)于有機(jī)磁性分子中磁電效應(yīng)的開創(chuàng)性研究，為磁性分子的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)，發(fā)表于物理評論快報(bào)（Phys. Rev. Lett.），被多個(gè)一流學(xué)術(shù)雜志引用，得到了同行的廣泛認(rèn)同和肯定。

除此之外，胡軍還研究了過渡金屬雙原子分子的磁各向異性。為提高磁記錄器件的單位存儲密度，人們一直在尋找合適的磁性納米結(jié)構(gòu)做磁記錄單元，而最小的磁性納米結(jié)構(gòu)是過渡金屬雙原子分子。胡軍介紹說：“過渡金屬雙原子分子的應(yīng)用前提有兩個(gè)，一是有合適的襯底材料支撐以便做成器件，二是有較大的磁各向異性能（大于30meV）以保證自旋取向在室溫以上穩(wěn)定。盡管早前有研究小組發(fā)現(xiàn)某些孤立的過渡金屬雙原子分子具有巨磁各向異性，但絕大多數(shù)襯底材料都將大大減弱其磁各向異性，甚至破壞分子結(jié)構(gòu)，為應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來極大困難?！?/p>

針對這一問題，胡軍提出利用石墨烯空位缺陷給過渡金屬雙原子分子提供支撐的方案，經(jīng)過大量搜索，發(fā)現(xiàn)了兩種過渡金屬雙原子分子和石墨烯的組合既具有巨磁晶各向異性能（60meV以上），又保持分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有潛力成為目前為止最小的磁記錄單元。這項(xiàng)研究是將過渡金屬雙原子分子的自旋取向穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)合在一起的開創(chuàng)性研究，為新奇磁性納米結(jié)構(gòu)做出了有意義的預(yù)測。

拓?fù)浣^緣態(tài)領(lǐng)域的尖兵

拓?fù)浣^緣態(tài)是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種全新的材料特性，在凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)各領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部是絕緣態(tài)（帶隙10-3 10-1eV），而在邊界上因?yàn)橄鄬φ撔?yīng)（即自旋軌道耦合效應(yīng)）會(huì)形成量子化和無耗散的電流，在未來的量子器件如量子計(jì)算機(jī)中，有極大的應(yīng)用前景。盡管石墨烯是最早被預(yù)測的拓?fù)浣^緣體，但其自旋軌道耦合效應(yīng)太弱（導(dǎo)致拓?fù)浣^緣帶隙太小10-6eV），無法在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下觀測到拓?fù)浣^緣態(tài)。但胡軍深知，石墨烯作為最獨(dú)特的單原子層二維材料，在下一代電子器件、自旋電子器件、太陽能電池等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，因此提高其拓?fù)浣^緣帶隙有重要的價(jià)值。以這樣的理念為基礎(chǔ)，胡軍做了大量工作，提出了在石墨烯上沉積重金屬原子以增強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)的方案，預(yù)測了一系列具有應(yīng)用前景的拓?fù)浣^緣態(tài)，發(fā)表了數(shù)篇具有影響力論文。

一方面，胡軍預(yù)測在石墨烯上沉積三族元素鉈（Tl），不破壞石墨烯的狄拉克錐，但Tl的p軌道的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)傳遞給了石墨烯π電子，在石墨烯的狄拉克錐處產(chǎn)生高達(dá)21meV的拓?fù)浣^緣帶隙，比石墨烯自身的帶隙提高了三個(gè)數(shù)量級，該拓?fù)浣^緣態(tài)可以存在于200K左右，大大提高了實(shí)驗(yàn)研究的可行性。

另一方面，胡軍研究了5d軌道與石墨烯狄拉克態(tài)的雜化帶中的拓?fù)浣^緣態(tài)。研究表明，在石墨烯上沉積重過渡金屬原子鋨（Os），其5d軌道與石墨烯的π軌道強(qiáng)烈雜化，生成一系列新的能帶。其中一些能帶具有拓?fù)浣^緣態(tài)性質(zhì)，拓?fù)浣^緣帶隙高達(dá)270meV，遠(yuǎn)高于室溫對應(yīng)的帶隙，而且此拓?fù)浣^緣帶隙受Os原子的覆蓋度影響較小，當(dāng)覆蓋度為2%?6%時(shí)，拓?fù)浣^緣帶隙變化不到10%（250meV?270meV），具有較強(qiáng)的抗干擾性。

這兩項(xiàng)工作在研究石墨烯中拓?fù)浣^緣態(tài)的領(lǐng)域具有開創(chuàng)性，分別發(fā)表于物理評論X（Phys. Rev. X）和Phys. Rev. Lett.，并引發(fā)了大量后續(xù)工作，并被Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等頂級期刊多次引用。例如，著名物理學(xué)家A.H. MacDonald與合作者在其多篇論文中引用胡軍的這兩項(xiàng)工作;A.H. Castro Neto與合作者則評價(jià)胡軍的工作為增強(qiáng)石墨烯的自旋軌道耦合效應(yīng)開啟了新途徑，并在實(shí)驗(yàn)中把銅原子沉積到石墨烯上實(shí)現(xiàn)了這種增強(qiáng)效應(yīng);而N. Nagaosa與合作者認(rèn)為胡軍預(yù)測的二維拓?fù)浣^緣體相對于量子阱二維拓?fù)浣^緣體更簡單，并展開了后續(xù)工作。近三年來，胡軍發(fā)表于Phys.Rev.X的文章在Web of Science檢索總引用次數(shù)超過150次，且在該期刊所有論文中總引用數(shù)一直保持排名第一。

另外，新型拓?fù)鋺B(tài)Chern半金屬也是胡軍取得的突破性成果。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，量子反?；魻栃?yīng)只存在于磁性拓?fù)浣^緣體中，然而胡軍提出半金屬態(tài)也可能導(dǎo)致量子反?；魻栃?yīng)，即一個(gè)自旋通道具有拓?fù)浣^緣性（貢獻(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)），而另一個(gè)自旋通道為普通金屬（與量子反?；魻栃?yīng)無關(guān)）。胡軍稱這種新的拓?fù)鋺B(tài)為Chern半金屬。通過一系列理論模型的反復(fù)論證，胡軍證明沉積有鈷（Co）或銠（Rh）的石墨烯為Chern半金屬。Co和Rh沉積石墨烯上具有很強(qiáng)的垂直自旋取向，滿足了實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的自然條件。就這樣，胡軍提出了Chern半金屬的概念，把拓?fù)洳牧蠌慕^緣體推廣到了半金屬。

如今，作為老師的胡軍常常告訴學(xué)生，基礎(chǔ)研究是根本，要善于將一些不成熟的想法建立成具體的理論模型，然后用實(shí)驗(yàn)手段來驗(yàn)證想法，只有基礎(chǔ)理論做好了，才能給實(shí)際應(yīng)出指明方向。這也是他一路走來的切身感受，他也在言傳身教地傳承下去。

“在遇到問題的時(shí)候，學(xué)生要學(xué)會(huì)解決問題，并且在不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題的循環(huán)中提高自己。這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。”對未知世界充滿認(rèn)識的渴望，對能力積累懷抱無限的耐心，這是胡軍堅(jiān)持告訴學(xué)生的真理。endprint