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——記復(fù)旦大學(xué)物理系教授修發(fā)賢

□ 干思思

修發(fā)賢

縱觀人類社會的發(fā)展，人類文明的足跡也可看作是一步完整的材料發(fā)展史。從石器時代、青銅時代到鐵器時代，不同時期的人類文明都以材料作為其主要標(biāo)志，材料的發(fā)展及其應(yīng)用就是人類進(jìn)化的重要里程碑。如果說從農(nóng)業(yè)社會步入工業(yè)社會，是由于鋼鐵、水泥、金屬等材料的廣泛應(yīng)用，那么從工業(yè)社會發(fā)展到信息社會，就是以半導(dǎo)體硅材料的應(yīng)用為基礎(chǔ)的。

毋庸置疑，新材料的研制、開發(fā)與應(yīng)用不僅是高新技術(shù)發(fā)展的推動力，同時也是衡量一個國家科技和經(jīng)濟(jì)水平的重要標(biāo)志。基于此，當(dāng)今國際社會將材料、能源和信息技術(shù)稱之為新科技革命的三大支柱，而材料則是三大支柱中的基礎(chǔ)。新材料的研發(fā)與制備也成為多個國家的關(guān)注重點(diǎn)。在美國國防部制定的面向21世紀(jì)的國防科技戰(zhàn)略規(guī)劃體系中，把材料與制備工藝技術(shù)定為4個具有最高優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一；在德國提出的21世紀(jì)九大重點(diǎn)領(lǐng)域中，首選就是新材料，其研發(fā)的80個課題中有24個課題屬于新材料；在我國的“‘十三五’規(guī)劃”綱要中，也已明確地將“重點(diǎn)新材料研發(fā)及應(yīng)用”“大力發(fā)展形狀記憶合金、自修復(fù)材料等智能材料，石墨烯、超材料等納米功能材料等高端材料”列入中國計劃實(shí)施的100個重大工程及項目。

20世紀(jì)80年代，隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，宏觀物體被細(xì)分成超微顆粒（納米級），使其在光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等方面的性質(zhì)與大塊固體時相比顯示出許多奇異的特征。諸多納米功能材料的特性為信息技術(shù)的發(fā)展提供了更多的可能性，有望促使信息技術(shù)進(jìn)入一個嶄新的時代。這一科技前沿領(lǐng)域也成為眾多科研工作者的關(guān)注熱點(diǎn)，復(fù)旦大學(xué)物理系教授修發(fā)賢正是該領(lǐng)域的探索者之一。多年來，他深耕于拓?fù)淞孔討B(tài)和新型低維度材料的制備與輸運(yùn)特性的研究，不斷打破常規(guī)，用一項項極具創(chuàng)新性的科研成果助力著中國材料學(xué)的發(fā)展。

為電子構(gòu)建綠色通道實(shí)現(xiàn)超高電導(dǎo)率

2019年3月19日，材料領(lǐng)域國際頂級期刊Nature Materials以長文形式在線發(fā)表了題為“外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導(dǎo)率”（Ultrahigh conductivity in Weyl semimetal NbAs nanobelts）的論文。論文的通訊作者正是修發(fā)賢，課題組在砷化鈮納米帶中觀測到其表面態(tài)具有超高電導(dǎo)率，其低電子散射幾率的機(jī)制源自外爾半金屬特有的電子結(jié)構(gòu)（即費(fèi)米弧表面態(tài)）。

作為電子工業(yè)的基礎(chǔ)，導(dǎo)電材料目前最主要使用的材料是銅，并已大規(guī)模地用于制作晶體管的互連導(dǎo)線。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在計算機(jī)和智能設(shè)備體積日趨縮小的同時，信號傳輸量卻呈現(xiàn)出爆炸式的增長。這就意味著芯片中上千萬根細(xì)如發(fā)絲的晶體管互連導(dǎo)線的“運(yùn)送壓力”也隨之加大。然而，當(dāng)銅逐漸變薄并進(jìn)入二維尺度時，其原先良好的導(dǎo)電性能會顯著變差。這是因為在納米尺寸的導(dǎo)體中運(yùn)動的電子會相互撞擊，四處“碰壁”，以致導(dǎo)體發(fā)熱，并產(chǎn)生能量損耗。這一特性在一定程度上制約了信息領(lǐng)域的發(fā)展。

向上海市委書記李強(qiáng)、復(fù)旦大學(xué)黨委書記焦揚(yáng)、復(fù)旦大學(xué)校長許寧生院士等領(lǐng)導(dǎo)同志做工作匯報。

“手機(jī)、電腦發(fā)熱的主要原因有兩個，即晶體管本身的發(fā)熱和電流流經(jīng)這些互連導(dǎo)線所產(chǎn)生的導(dǎo)線發(fā)熱。我們現(xiàn)在要解決的問題就是導(dǎo)線的發(fā)熱。當(dāng)電流從輸入端進(jìn)入芯片時，相當(dāng)于千軍萬馬從大草原一下子上了獨(dú)木橋，如果電子在獨(dú)木橋上有巨大耗散，芯片運(yùn)行時就會劇烈發(fā)熱，從而影響運(yùn)行狀態(tài)?！辈稍L中，修發(fā)賢形象地解釋道。

有沒有一種辦法能讓大量電子在這些納米級互連導(dǎo)線中順暢高速通行呢？“如果能構(gòu)建一條‘綠色通道’就好了！”為了實(shí)現(xiàn)這個構(gòu)想，修發(fā)賢團(tuán)隊將外爾半金屬砷化鈮作為研究對象。對于這種材料的研究，以往成果都是建立在肉眼可見的高維度體材料的基礎(chǔ)上，其低維狀態(tài)下的物理性質(zhì)還未有人涉及。

秉持大膽假設(shè)、小心求證的科研精神，修發(fā)賢團(tuán)隊吹響了科研攻關(guān)的號角。第一關(guān)就是納米材料的制備?！扳壍娜埸c(diǎn)很高，砷的熔點(diǎn)又特別低，要把這兩種材料融在一起非常難?！钡k法總比困難多。他們先是采用高溫加熱法讓兩者融合，但行不通。半年后他們轉(zhuǎn)換思路，嘗試用氯化鈮和氫氣的化學(xué)反應(yīng)作為鈮的來源，再與砷結(jié)合。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗、仔細(xì)比對，修發(fā)賢團(tuán)隊終于實(shí)現(xiàn)了砷化鈮納米結(jié)構(gòu)的生長，完成了零的突破，掀開了砷化鈮低維狀態(tài)的神秘面紗。

寬約幾微米，長約幾十微米，厚度在納米級別，在指甲蓋大小的氧化硅襯底上，分布著百萬個比頭發(fā)絲還要細(xì)的納米晶體。這正是修發(fā)賢團(tuán)隊制備的外爾半金屬材料砷化鈮納米帶。Nature Materials的審稿人對其樣品質(zhì)量給予了高度評價：“用于制備砷化鈮納米帶的方法是有趣的、創(chuàng)新的，這是拓?fù)洳牧项I(lǐng)域的一項非常及時的工作?！薄八麄兩L出了一些非常好的樣品?！?/p>

好的開始是成功的一半。砷化鈮納米帶的成功制備讓課題組信心倍增，下一步就是觀察和發(fā)現(xiàn)該材料的特性，而結(jié)果更是讓人倍感欣慰。修發(fā)賢課題組運(yùn)用測量低溫量子震蕩的測試方法發(fā)現(xiàn)，其制備出的新材料有著驚人的高導(dǎo)電率，材料本身既具有很高濃度的電子又具備超高的遷移率。高導(dǎo)電率主要得益于外爾半金屬砷化鈮納米帶表面與眾不同的電子結(jié)構(gòu)——具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)（費(fèi)米弧）?！巴?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)的概念可以這樣理解，就像是家里用的瓷碗外表面鍍了一層金，瓷碗本身不導(dǎo)電，但表面這一層金膜導(dǎo)電。更神奇的是，如果存在拓?fù)浔Ｗo(hù)，這層金膜被磨掉之后，下面就會自動再出現(xiàn)一層金膜，重新形成導(dǎo)電層。這就是一種由物質(zhì)本身的電子結(jié)構(gòu)決定的拓?fù)浔砻鎽B(tài)?！毙薨l(fā)賢形象地解釋道。

實(shí)驗證明，砷化鈮納米帶擁有百倍于銅薄膜和千倍于石墨烯的電導(dǎo)率，是目前二維體系中最好的。同時，區(qū)別于超導(dǎo)材料只能在零下幾十?dāng)z氏度超低溫下應(yīng)用，砷化鈮納米帶的高電導(dǎo)機(jī)制即使在室溫下仍然有效。這一發(fā)現(xiàn)為材料科學(xué)尋找高性能導(dǎo)體提供了一個可行思路，在降低電子器件能耗等方面具有重大價值。

鍥而不舍揭秘三維量子霍爾效應(yīng)

“欲窮千里目，更上一層樓”，科學(xué)探索中亦是如此，每當(dāng)突破現(xiàn)有極限、打破原有框架時，新的發(fā)現(xiàn)總會讓人大開眼界。多年以來，修發(fā)賢始終堅信“只有基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性的工作才能走得遠(yuǎn)，才能讓我們國家在相關(guān)領(lǐng)域的科研走在世界前列”。在這一信念的支持下，他不斷取得令世人矚目的創(chuàng)新成果，發(fā)現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)就是其中之一。2018年12月18日，修發(fā)賢課題組的研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》在英國Nature雜志刊登，這是我國科學(xué)家首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，同時該發(fā)現(xiàn)也促使量子霍爾效應(yīng)的研究邁出了從二維到三維的關(guān)鍵一步。當(dāng)時包括中國中央電視臺在內(nèi)的各大媒體都爭相報道了這一振奮人心的消息。

1879年，美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)，對通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運(yùn)動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，這個電磁現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)在生活中主要應(yīng)用于速度和加速度的測量和控制上，比如控制電動車行進(jìn)速度的轉(zhuǎn)把，汽車速度表和里程表等。

然而，在超低溫和強(qiáng)磁場等極端條件下，電子的偏轉(zhuǎn)不再像普通霍爾效應(yīng)中一樣，而是變得更加劇烈并且偏轉(zhuǎn)半徑變得很小，仿佛是在導(dǎo)體內(nèi)部圍繞著某點(diǎn)轉(zhuǎn)圈圈，也可以認(rèn)為是導(dǎo)體中間的部分電子被“鎖住了”，但仍有一部分電子會沿著導(dǎo)體邊緣，以半圓周運(yùn)動的方式繼續(xù)傳導(dǎo)電流，這就量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)作為20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關(guān)。但100多年來，科學(xué)家們對其的研究一直停留于二維體系。

2016年10月，修發(fā)賢及其團(tuán)隊第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測到了量子霍爾效應(yīng)?！翱吹竭@一現(xiàn)象時非常震驚，三維體系里邊怎么會出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)？”帶著這樣的疑問，修發(fā)賢課題組決定打破砂鍋問到底，嘗試去了解三維體系中電子的運(yùn)動機(jī)制。

面對千分之一根頭發(fā)絲大小的實(shí)驗材料和快如閃電的電子運(yùn)動速度，該怎么做實(shí)驗?zāi)兀块_始時他們也感到困惑，但來自生活的靈感幫他們解決了這道難題——把三維體系看做是有天花板和地面的房子?！拔覀儼逊孔臃磐崃?！”修發(fā)賢課題組創(chuàng)新性地利用楔形樣品實(shí)現(xiàn)了可控的厚度變化?！拔蓓敱粌A斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就會發(fā)生變化?！彼麄兺ㄟ^實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，電子在其中的運(yùn)動軌道能量直接受到樣品厚度的影響，即隨著樣品厚度的變化，電子的運(yùn)動時間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運(yùn)動，其隧穿行為被證明了。

“電子在上表面走一段1/4圈，穿越到下表面，完成另外一個1/4圈后，再穿越回上表面，形成半個閉環(huán)，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個回旋運(yùn)動中仍然是量子化的?！毙薨l(fā)賢說，整個軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來源，三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘就這樣被揭開了。

成果發(fā)表后，美國麻省理工學(xué)院教授Joseph Checkelsky發(fā)郵件向修發(fā)賢致賀，并表示該研究已經(jīng)激起領(lǐng)域內(nèi)很多人的興趣?！拔液芨吲d我的工作能在科研領(lǐng)域開辟新天地?！毙薨l(fā)賢欣慰地說?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)砷化鎘這個材料體系具有非常好的遷移率。這個遷移率我們可以做到10萬，也就是說電子的速度和響應(yīng)都非常快。將來可以把這個材料推向應(yīng)用，我們可以在自旋、光電探測方面做一些原型器件，比如說在一些紅外探測、遙感這樣的領(lǐng)域里邊發(fā)揮它的作用?！睂τ谖磥?，修發(fā)賢充滿期待。

在2019年春節(jié)團(tuán)拜會上發(fā)言

春種一粒粟秋收萬顆子

出生于20世紀(jì)70年代的修發(fā)賢，在回國后的7年中，總能一次次地取得令人眼前一亮的科研成果，并在國際相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生影響同時得到國際同行的肯定與認(rèn)可，這與他多年來的勤奮與執(zhí)著密不可分。10多年前修發(fā)賢遠(yuǎn)渡重洋，美國加州大學(xué)洛杉磯分校、加州大學(xué)河濱分校、愛荷華州立大學(xué)等高校和科研院所都曾留下他的足跡。從碩士研究生開始，直至取得博士學(xué)位、完成博士后的研究工作，期間，修發(fā)賢從未有過懈怠，他用拼搏進(jìn)取、刻苦鉆研填充了美好的青春歲月。

2012年年底，學(xué)有所成的修發(fā)賢加入復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，開啟了新的征程。2014年，修發(fā)賢選擇了拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域，開始只想“試著研究一下”，沒想到越研究越喜歡，從此“一發(fā)不可收拾”。從大塊的體材料，到大片的薄膜，再到納米單晶，修發(fā)賢帶著學(xué)生們“孜孜不倦”深耕于此，樂此不疲。

物理學(xué)系本科生劉然2017年進(jìn)入修發(fā)賢的課題組，在她看來，在科研領(lǐng)域，有兩種類型的探索者，一種是“短跑型”的，一種是“馬拉松型”的，“修老師就是后者，十年如一日”。修發(fā)賢每天的生活像表針一樣按部就班，極其規(guī)律：6點(diǎn)半起床送孩子上學(xué)，8點(diǎn)40分到辦公室，下午4點(diǎn)接孩子放學(xué)，6點(diǎn)半回家，7點(diǎn)半再回辦公室，工作到深夜11點(diǎn)。這樣的生活每周6天，周日下午，是他留給家里兩個孩子為數(shù)不多的時間。

細(xì)節(jié)決定成敗，為了充分利用好有限的時間，修發(fā)賢總是把工作安排得井井有條。每天一到辦公室，修發(fā)賢就會拿出筆記本，將每個時間段要完成的事情一條條地寫下來，用完的本子堆了幾大摞。辦公室一角放了一架攀爬機(jī)，臺式機(jī)的鍵盤被支架架得很高——修發(fā)賢一天在這里呆的時間太長，工作實(shí)在忙，只能在辦公室里“做做運(yùn)動”。

此外，開會間隙改論文、陪孩子上輔導(dǎo)班時讀文獻(xiàn)……修發(fā)賢擠時間的小秘訣，不只一兩個。在物理學(xué)系已畢業(yè)的博士生張成看來，“修老師的時間表讓學(xué)生們‘聞風(fēng)喪膽’，簡直不可思議?！薄肮ぷ骺瘛本褪切薨l(fā)賢的“最典型形象”。

“追求卓越必須要付出”，在修發(fā)賢眼中，努力理所應(yīng)當(dāng)。春種一粒粟，秋收萬顆子。他多年辛勤付出的汗水與智慧，如今已結(jié)下了累累碩果：共發(fā)表SCI論文111篇，其中包括1篇Nature，2篇Nature Materials，3篇Nature Nanotechnology，8篇Nature Communications；9篇論文成為ESI高被引論文；入選2017年中國光學(xué)十大進(jìn)展。

精心育人培養(yǎng)未來科學(xué)家

獨(dú)行雖快，眾行致遠(yuǎn)。在潛心科研的同時，修發(fā)賢不忘教書育人的光榮使命，在他看來“要通過研究培養(yǎng)人，把學(xué)生培養(yǎng)成未來能獨(dú)當(dāng)一面的科學(xué)家”。

師者，所以傳道受業(yè)解惑也。學(xué)生在探索未知的路上感到迷茫、困惑在所難免，作為博士生導(dǎo)師，修發(fā)賢就像是他們的指向燈，為他們帶去光明與希望。在修發(fā)賢和學(xué)生們的微信群里，除了每天轉(zhuǎn)發(fā)的必讀文獻(xiàn)，逢年過節(jié)的問候，雞湯文、雞血文也有不少?！敖o一顆糖不行，那就再給一顆。”修發(fā)賢笑談。

課題組成員合影

除了方向性的指導(dǎo)，專業(yè)指導(dǎo)更是必不可少。興趣是最好的老師，深諳學(xué)習(xí)之道的修發(fā)賢總是讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣來選擇課題，并為其提供強(qiáng)而有力的支持，成為學(xué)生搞科研的堅強(qiáng)“后盾”。“我發(fā)現(xiàn)磁光方向值得探索，修老師立即聯(lián)系了相關(guān)合作單位，并提供了材料和強(qiáng)磁場的很多合作和出訪機(jī)會，給予了我很大的幫助?！睂W(xué)生袁翔說。

在修發(fā)賢的課題組，每個人的小方向都不太一樣，橫跨目前凝聚態(tài)物理的幾個重要前沿領(lǐng)域。在周六晚上的組會上，學(xué)生們會展示各自的成果，彼此探討，互通有無，實(shí)現(xiàn)共同進(jìn)步。同時，修發(fā)賢也常常鼓勵課題組的本科生們走出國門，開拓視野，未來才能回國更好地做科研。正是得益于這種培養(yǎng)模式，修發(fā)賢的學(xué)生們在文獻(xiàn)閱讀、實(shí)際操作、語言表達(dá)等方面的能力都能得到充分的鍛煉，有所提高。

然而，把學(xué)習(xí)課本知識的本科生培養(yǎng)成能獨(dú)立做科研的準(zhǔn)博士生并非易事?！敖o一個難題，自己想辦法，讀文獻(xiàn)，找方法，動手做實(shí)驗，再分析結(jié)果，看能不能提出新的東西?！蹦軌蛲瓿蛇@套流程可不容易，但不經(jīng)歷風(fēng)雨怎能見到彩虹。在修發(fā)賢的精心培育下，學(xué)生們也倍加努力，沒有辜負(fù)他的期望。在2018年畢業(yè)的本科生中，耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、康奈爾大學(xué)、馬里蘭大學(xué)……捷報頻傳，這讓修發(fā)賢很驕傲，“有個學(xué)生面試耶魯，因為經(jīng)驗豐富，思考的問題多，被面試官稱贊為‘見過的最好的簡歷’”。

行百里者半九十。以往的成績與榮譽(yù)是對修發(fā)賢的肯定與褒獎，更是對他的鞭策與鼓勵。漫漫科研路上，他將和他的學(xué)生們一同攜手向前，繼續(xù)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域不懈求索。