閆亞軍：腳踏實(shí)地的摘星者

□ 汲曉奇

物理學(xué)的研究是大至宇宙、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本運(yùn)動(dòng)和相互作用的規(guī)律。因此，物理學(xué)成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的重要研究基礎(chǔ)之一。凝聚態(tài)物理作為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，因其為未來世界的應(yīng)用帶來無(wú)數(shù)潛在的可能性，而成為當(dāng)今物理學(xué)最前沿的研究對(duì)象之一，也成為世界各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相追逐的目標(biāo)領(lǐng)域。

“近年來，凝聚態(tài)物理的快速發(fā)展，使各種新材料和新物理現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)，如在超導(dǎo)方面，近些年來鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和研究，開啟了高溫超導(dǎo)的另一扇大門，為超導(dǎo)應(yīng)用和機(jī)理研究提供了近千種新材料；新能源材料方面，鋰離子、鈉離子、鋁離子等各種固態(tài)電池的發(fā)現(xiàn)，使電池壽命和儲(chǔ)能效率更高……這些如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著凝聚態(tài)物理的發(fā)展正進(jìn)入‘井噴’的時(shí)代。然而，這并不表明凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題都被攻克了，相反，當(dāng)前凝聚態(tài)物理仍有很多困惑，要進(jìn)一步使凝聚態(tài)物理研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，還需要眾多物理學(xué)家進(jìn)行更深入的研究?！睆?fù)旦大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室青年研究員閆亞軍說。

作為物理學(xué)的忠實(shí)粉絲，閆亞軍從小就對(duì)物理學(xué)飽含濃厚的興趣，對(duì)物理科研充滿向往?，F(xiàn)在，閆亞軍已走在了自己的理想之路上，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的超導(dǎo)材料、拓?fù)浣^緣體等方向上不懈探索，解開了一個(gè)又一個(gè)物理學(xué)謎題。她說，對(duì)基礎(chǔ)物理研究而言，除了需要勤奮努力外，還需要長(zhǎng)年的堅(jiān)持不懈?，F(xiàn)在她正處于科研的“黃金期”，她得再加一把勁，交出屬于自己的“代表作”。

追尋拓?fù)涑瑢?dǎo)之光

你是否還記得電影《阿凡達(dá)》中一座座懸浮在云端的哈利路亞山？

那一座座大山之所以能夠懸空，是因?yàn)樯街刑N(yùn)藏著一種神奇的室溫超導(dǎo)礦石，它借助母樹附近的強(qiáng)大磁場(chǎng)“托起”了哈利路亞山。

作為20世紀(jì)初最重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一的超導(dǎo)，自1911年發(fā)現(xiàn)以來，無(wú)數(shù)科學(xué)家被其神秘特質(zhì)所吸引?！俺瑢?dǎo)指的是某些材料在溫度降低到某一特定溫度的時(shí)候，其電阻突然消失為零且外部磁場(chǎng)被排出體外（完全抗磁性），而同時(shí)具備這兩種特性的材料被稱為超導(dǎo)體。”閆亞軍說，有了這種材料后，電路中電流消耗的焦耳熱量為零，這能極大地提高電流利用效率；而強(qiáng)大的抗磁特性則可以用于超導(dǎo)磁懸浮，使利用此技術(shù)的列車比高鐵還要高速安全穩(wěn)定得多。此外，超導(dǎo)體還在科學(xué)研究、信息通信、工業(yè)加工、能源存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)乃至航空航天等領(lǐng)域均有重大的應(yīng)用前景。

然而，目前大多數(shù)超導(dǎo)體僅在接近絕對(duì)零度的溫度下工作，即使是高溫超導(dǎo)體也只存在于相對(duì)絕對(duì)零度的高溫：-140℃。實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)應(yīng)用必須依賴于昂貴的低溫液體——如液氦等來維持低溫環(huán)境。這導(dǎo)致超導(dǎo)應(yīng)用的成本急劇增加，并且維持低溫的成本甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料本身的價(jià)值。因此，真正在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的應(yīng)用與弄清楚為什么材料會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，吸引著全世界無(wú)數(shù)物理學(xué)家甘愿為之攀登終生。這同樣也是閆亞軍一生攀登追逐的目標(biāo)與動(dòng)力所在。

為掀開超導(dǎo)材料的神秘面紗，在博士期間，閆亞軍就對(duì)鐵基高溫超導(dǎo)材料、低維磁性材料以及拓?fù)浣^緣體等體系的材料合成和物性進(jìn)行了深入研究，并在研究中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。博士畢業(yè)后，閆亞軍加入復(fù)旦大學(xué)物理系開展博士后工作。在工作中，閆亞軍結(jié)合掃描隧道顯微鏡繼續(xù)探索超導(dǎo)材料。在這基礎(chǔ)之上，在上海晨光計(jì)劃“拓?fù)涑瑢?dǎo)體的掃描隧道顯微學(xué)研究”項(xiàng)目中，閆亞軍利用極低溫掃描隧道顯微鏡（STM）為手段，通過實(shí)驗(yàn)去尋找可能存在的拓?fù)涑瑢?dǎo)體，并為其存在提供有力的證據(jù)。

“拓?fù)洹痹跀?shù)學(xué)上是一個(gè)描述全局性質(zhì)的概念。當(dāng)一個(gè)物體在未被撕裂的條件下，任何拉伸、扭曲或連續(xù)形變都不會(huì)改變其拓?fù)湫再|(zhì)特性。在物理上，拓?fù)浣^緣體的概念首先被提出，它的體內(nèi)仍然是能隙打開的絕緣體，但是它的表面或者邊緣受拓?fù)湫缘谋Ｗo(hù)能隙閉合而表現(xiàn)出金屬性。超導(dǎo)體中也有能隙，且能隙下方的態(tài)被完全占據(jù)，因此超導(dǎo)體也能用拓?fù)洳蛔兞窟M(jìn)行分類。最近幾年，拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究是凝聚態(tài)物理研究的前沿方向之一，人們不僅對(duì)拓?fù)洳牧夏軌蛟谛乱淮娮悠骷统瑢?dǎo)體中應(yīng)用抱有希望，而且看好其在未來量子計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用。但是由于拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的稀少以及實(shí)驗(yàn)和理論研究的局限性，現(xiàn)在拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究還處于起步階段。

“在物理學(xué)界，一個(gè)通過理論推導(dǎo)出的結(jié)論必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能被承認(rèn)。沒有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，便不能稱之為‘發(fā)現(xiàn)’。要證明拓?fù)涑瑢?dǎo)體的存在，必須通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證?！遍Z亞軍告訴記者，檢驗(yàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體的方法之一是探測(cè)到無(wú)能隙的金屬性邊緣激發(fā)態(tài)，即尋找Majorona費(fèi)米子存在的證據(jù)。但由于可能的拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的臨界溫度普遍較低等原因，對(duì)它的研究進(jìn)展緩慢，現(xiàn)有的拓?fù)涑瑢?dǎo)的工作也存在較大爭(zhēng)議。為找到更多直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證明拓?fù)涑瑢?dǎo)體的存在，在項(xiàng)目中，閆亞軍以STM作為研究超導(dǎo)體表面電子態(tài)和超導(dǎo)電性的有力工具。她說，STM是目前研究超導(dǎo)材料的最有力的手段之一，已在銅基、鐵基等非常規(guī)超導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的研究中起到了非常重要的作用。STM可以運(yùn)行于極低溫，有非常高的實(shí)空間和能量分辨率，它不僅可以觀察樣品表面原子結(jié)構(gòu)、測(cè)量樣品局域態(tài)密度，還可以通過準(zhǔn)粒子散射成像獲得動(dòng)量空間的電子態(tài)信息。同時(shí)，STM的高實(shí)空間分辨率使其可以直接探測(cè)到超導(dǎo)磁通中心的束縛態(tài)、二維體系的邊緣態(tài)及一維體系的端點(diǎn)模，這也是采用STM研究低維拓?fù)涑瑢?dǎo)體邊緣激發(fā)態(tài)的重要優(yōu)勢(shì)。更為重要的一點(diǎn)是STM能夠探測(cè)超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱性，而目前的理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)“拓?fù)涑瑢?dǎo)體大多數(shù)情況要靠p波對(duì)稱才能實(shí)現(xiàn)。確定體系是否有p波對(duì)稱是驗(yàn)證拓?fù)涑瑢?dǎo)體存在的重要判據(jù)”。

因此，在項(xiàng)目中，閆亞軍以極低溫矢量磁場(chǎng)STM，結(jié)合分子束外延生長(zhǎng)對(duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)體展開研究，希望獲得摻雜Bi2Se3類超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)，包括超導(dǎo)能隙的各向異性和配對(duì)對(duì)稱性等；實(shí)現(xiàn)強(qiáng)自旋軌道耦合材料和超導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，探索其中的拓?fù)涑瑢?dǎo)電性；此外，還將嘗試?yán)肕BE生長(zhǎng)得到RuO2終止面的Sr2RuO4薄膜和或單層RuO2面，給出判斷其是否為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的微觀證據(jù)?？傊Z亞軍將關(guān)注一些可能的本征拓?fù)涑瑢?dǎo)材料和人工拓?fù)涑瑢?dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的超導(dǎo)電性進(jìn)行更為直接的微量觀測(cè)，尋找拓?fù)涑瑢?dǎo)體存在的更直接的證據(jù)，理解拓?fù)涑瑢?dǎo)體產(chǎn)生的機(jī)理，為其實(shí)際運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。

走入粒子世界

在物理學(xué)最小的基本粒子世界里住著“兩大家族”：費(fèi)米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子）。而在費(fèi)米子家族眾多成員里面，重費(fèi)米子材料是不可忽視的存在。重費(fèi)米子體系主要包括一些含有稀土金屬（如鈰鐿）、錒族金屬元素（如鈾）的金屬化合物。這類化合物在低溫下表現(xiàn)出豐富的物理性質(zhì)，如超導(dǎo)、反鐵磁或鐵磁以及費(fèi)米液體的行為；由于低溫下這類材料的比熱非常高（電子的有效質(zhì)量非常大），因此把此類化合物稱為重費(fèi)米子材料。

“重費(fèi)米子超導(dǎo)材料種類繁多，迄今已有40余種，涵蓋多種類型的晶體和電子結(jié)構(gòu)。這些材料中存在異常豐富的奇異態(tài)，并且往往與超導(dǎo)相伴而生?！遍Z亞軍介紹說，這些材料中的量子臨界漲落被認(rèn)為是導(dǎo)致重費(fèi)米子超導(dǎo)的誘因，但又與超導(dǎo)態(tài)相互競(jìng)爭(zhēng)。但是由于重費(fèi)米子體系的特征能量尺度低，對(duì)其超導(dǎo)性質(zhì)的研究還非常匱乏。

為敲開重費(fèi)米子世界的大門，在國(guó)家自然科學(xué)面上項(xiàng)目“Ce基和U基重費(fèi)米子材料的掃描隧道顯微學(xué)研究”中，閆亞軍重點(diǎn)對(duì)超導(dǎo)溫度1K以上的Ce-基和U-基重費(fèi)米子體系進(jìn)行研究。她希望通過極低溫、矢量磁場(chǎng)的掃描隧道顯微鏡研究這類材料在不同溫度下的電子態(tài)性質(zhì)和能隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而揭示重費(fèi)米子態(tài)形成和演化的微觀機(jī)制，澄清或者闡明一些典型重費(fèi)米子超導(dǎo)體的序參量及其對(duì)稱性?！巴瑫r(shí)，在這個(gè)項(xiàng)目里，我還想弄明白一些典型Ce-基和U-基重費(fèi)米子超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)，是否多帶超導(dǎo)？超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱性是什么？嘗試總結(jié)不同重費(fèi)米子體系的f電子的局域巡游特性，來探明f電子和導(dǎo)帶電子雜化的具體表現(xiàn)形式。最后，通過對(duì)比各種有序態(tài)的物理性質(zhì)及相互之間的關(guān)聯(lián)，如反鐵磁序與超導(dǎo)態(tài)、隱藏序與超導(dǎo)態(tài)、隱藏序與反鐵磁序等，弄清楚重費(fèi)米子態(tài)的形成和演化過程，探索FFLO態(tài)和拓?fù)浞瞧接贡砻鎽B(tài)等新奇量子態(tài)的存在與否。”閆亞軍告訴記者，要跨越重費(fèi)米子體系能量尺度低和普通物性測(cè)量難度高等困難，新的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用，是打破重費(fèi)米子研究僵局并取得突破性進(jìn)展的重要方法之一，也會(huì)對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展有巨大的促進(jìn)作用。為此，在研究中，她會(huì)借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段與實(shí)驗(yàn)方法來展開相關(guān)工作。

閆亞軍

萬(wàn)丈高樓平地起。所有的成就都離不開前期的積累。正是閆亞軍在博士、博士后期間在超導(dǎo)材料領(lǐng)域打下的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，讓她在今天的研究中得以厚積薄發(fā)，也讓她在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中取得眾多富有特色的研究成果。鷹擊天風(fēng)壯，鵬飛海浪春。在超導(dǎo)材料研究如火如荼的現(xiàn)在，閆亞軍表示，她要借復(fù)旦大學(xué)物理系這方平臺(tái)，在神奇的粒子世界不懈探求，發(fā)展出屬于自己的特色和優(yōu)勢(shì)。

在采訪中，閆亞軍對(duì)記者說，一直以來，她都認(rèn)為自己是一個(gè)踏實(shí)的人，比較適合搞科研，自己從小也對(duì)科學(xué)家充滿了向往之情。因此，從事科研工作是她做出的正確的抉擇。而在走上科研之路后，她發(fā)現(xiàn)科研工作并不全是想象中的美好。她說，這條路很難走，常常是一個(gè)問題疊著一個(gè)問題，常常需要在“死胡同”里徘徊。然而，即使在這么難走的路上，她覺得辛苦也是值得的，她至今都還記得每合成一種新材料、每攻克一個(gè)難題所帶來的快樂。在她看來，這些在科研工作取得新突破時(shí)的快樂早就彌補(bǔ)了陷入困難之時(shí)的沮喪與困惑。也正是對(duì)這份快樂的“上癮”與癡迷，讓她在工作中不斷突破與創(chuàng)新，去追尋更多的快樂。