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于渌:中国凝聚态物理的进展和未来
于渌:中国凝聚态物理的进展和未来
www.dicp.ac.cn    发布时间:2016-10-11 11:22    栏目类别:科学家论坛


编者按
过去中国科学一直在努力赶超世界先进水平。经过几十年的努力,在某些领域,中国科学已经进入了一个新的阶段。比如在凝聚态物理中,对铁基超导体、拓扑量子材料、反常量子霍尔效应的研究,都已进入世界的最前沿,成为引导世界潮流的一员。


在近期的一次采访中,中科院理论物理学家于渌先生指出:“高度复杂的量子材料,可能表现出令人兴奋的、变化多端的演生现象。”的确,一个有高度量子纠缠的系统,不但能像变戏法一样变出分数电荷、分数角动量、分数统计,甚至非整数的自由度,就连我们世界中的基本粒子也能变出来。所以“理解量子材料的演生性能,……,对粒子物理和宇宙学研究有至关重要的影响。”当然,发现新的量子材料和量子纠缠体系,对发展量子器件,实现量子计算会有更直接的帮助。


在下文中,于先生介绍了中国在量子材料量子调控方面领先世界的一些工作。在对绚丽的量子世界的探索中,处处有中国人的身影。


——文小刚



作者  蒲慕明、王玲
翻译  宋琦
校译  雨遇



于渌(照片由本人提供)


于渌,中科院物理所 (IOP, CAS) 杰出的理论物理学家。他见证了过去五十年,中国科学家从上世纪六十年代资源匮乏的困难时期,到现在多个领域开花结果取得突破性进展,并引起大量国际关注的繁荣时期。他认为中国在凝聚态物理方面取得的举世瞩目的成绩不是简单地“冒一个泡”,而是中国政府几十年来一直持续支持的结果。于先生认为,凝聚态物理就像一棵根深叶茂的大树,随着时间的流逝有些枝条会枯萎,但总会不断长出新芽。


在最近一次《国家科学评论》(NSR)对他的采访中,于先生回顾了近期中国凝聚态物理的历史,哪些方面有了重大突破,还有哪些问题摆在眼前。


量子调控的迅速发展


根据量子力学的基本原理,我们知道当粒子被观测时其微观状态必然会受到影响,因而不可能精准地调控它,但现在我们确实从实验上实现了量子调控。


——于渌
NSR:您研究的凝聚态物理领域有哪些进步?


于渌:最重要的一点是我们在量子领域的研究取得了长足的进步。我们不再仅仅是观察量子现象,而是能进一步地去掌控它们。在整个二十世纪,相对论和量子力学的发展推动了信息技术的快速进步,比如激光和计算机技术都是以量子力学为基础的。然而,在扫描隧道显微镜发明之前,我们只能依赖于光谱间接地观察量子世界。但随着技术的进步,现在我们不仅可以观察到一个个分子和原子,也可以通过不同的手段操纵它们,这是固体物理领域里革命性的变化。根据量子力学的基本原理,我们知道当粒子被观测时其微观状态必然会受到影响,因而不可能精准地调控它,但现在我们确实从实验上实现了量子调控。


我2002年全职回国工作的时候,中国正在准备中长期科学技术发展规划(2006—2020)。我们提出量子调控非常重要,一定要列进计划里。最终建议被采纳,量子调控研究和蛋白质研究、纳米研究、发育与生殖研究一起组成规划中的四个重大研究计划,于2006年初发布。


紧接着,2007年美国能源部发布了一个题为“调度物质与能量:对科学与想象力的五大挑战”的报告,提出在电子、原子、分子层面调控物质的科技将是21世纪最为激动人心、革命性的科技前沿。报告中提到的五大挑战分别是:在电子尺度上操控材料,根据性能量身定做地合成材料,材料的复杂关联性和演生性质,能与生物体系媲美的纳米技术,以及远离平衡态的物质调控。这个报告为我们的研究提供了大有裨益的思路和指导。无独有偶,2006年美国原子分子和光学学会(AMO 2010委员会)也发布了“调控量子世界”的报告,描述了量子调控将如何影响原子、分子和光学领域的研究。我认为这两个报告都非常精彩,对我们很有启发。


NSR: 量子调控中最主要的部分是什么?


于渌:量子调控的研究主要有两个方面。一方面集中在研究小的量子体系,比如原子分子这样的粒子;另一方面是针对量子材料,比如拓扑绝缘体、非常规超导体、巨磁阻材料等。在没有相互作用的系统中,结构单元和运动单元一致,可以用单粒子图像来理解;但对量子材料,由于粒子间有相互作用,这是不成立的。根据我们对超导材料的研究经验可以预期,高度复杂的量子材料,可能表现出令人兴奋的、变化多端的演生现象。


NSR:中国的量子调控研究有什么特别之处吗?


于渌:中国在小的量子体系和量子材料两部分的研究都非常活跃。中国科学技术大学的潘建伟团队在小的量子体系量子信息方面的研究做得非常出色。潘建伟在奥地利取得博士学位后,意识到冷原子技术对于量子调控非常重要。他于2003至2008年间,在推进中科大实验室建设同时,继续在德国从事研究并培养了一批年轻有为的物理学家,后续再通过国内的人才计划把这些青年才俊引回国内,现在他们已经形成了一支非常具有国际影响力的团队。



潘建伟(左)、杜江峰(右)


在这个过程中,国家给予潘建伟团队大力支持,这在欧洲是很难做到的。他不负众望,做出了很多具有重大突破性的工作,比如在实验上实现了八个光子的“量子纠缠”态以及拓扑量子纠缠。潘建伟的团队是中科院空间科学战略性先导科技专项的主力部队之一,他们即将发射第一颗量子科学实验卫星,实现卫星与地面之间的高速量子通信。潘建伟团队的研究也促进了其他领域的发展,比如中科大年轻的物理学家杜江峰在电子与原子核自旋高灵敏度探测方面的研究已在国际领先。


中国近年来在量子材料领域的进步也吸引了国际的广泛关注。量子材料是由很多有相互作用的原子和分子组成的系统,他们展现出很多宏观的量子效应。量子材料中的粒子不再是以独立的、个体的状态呈现,我们称量子材料的这一特性为演生现象。这些现象类似于生物学组织从低级到高级进化过程中我们观察到的演生特性。理解量子材料的演生性能,比如超导电性,是量子物理最重要的进步之一,对粒子物理和宇宙学研究有至关重要的影响。






(a)潘建伟团队使用的热气球(HFNL发表);(b)赵忠贤团队发现的铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2As2费米面内能隙分布(EuroPhys Lett发表);(c)Bi2Se3薄膜表面态的ARPES能隙。薛其坤团队在SrTiO3衬底上生长的5层Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3发现了清晰的量子反常霍尔效应(Nature Phys 发表)。


量子调控的研究主要有两个方面。一方面集中在研究小的量子体系,比如原子分子这样的粒子;另一方面是针对量子材料,比如拓扑绝缘体、非常规超导体、巨磁阻材料等。
——于渌


超导在中国的腾飞




NSR:高温超导研究在中国一直很活跃,为什么?


于渌:超导现象是荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes在1911年发现的,但直到46年后的1957年,超导的微观理论—BCS理论才建立。从那之后,超导的研究才迅速发展起来,科学家们期望超导转变温度大幅提高,并能有广泛的实际应用。但实际上无论理论还是实验方面,在很长一段时间超导研究的进步相当缓慢。


1987年中科院物理所的赵忠贤团队独立发现了在液氮温区的超导材料,引起了世界各国物理学家们的关注。上世纪90年代,对高温超导机理及材料结构的理解并没有很大突破,超导温度的提高也很缓慢。很多欧美国家的科学家放弃了这个领域,转到其他方向。在美国,甚至有一段时间美国国家科学基金(NSF)不接受有关超导和强关联研究的项目申请。幸好中国并没有放弃这个领域的研究,政府也一直支持,这也是为什么2008年后中国会出现很多关于铁基超导的研究。


赵忠贤


NSR:铁基超导研究团队获得了国家自然科学一等奖,而之前这一奖项一直空缺,因此引起了很大轰动,您能描述一下这个研究是如何发展的?


于渌:日本科学家Hideo Hosono是第一个发现铁基高温超导材料的科学家,他本来是研究有机电极材料,而不是超导材料的,可以说这是他在交叉学科领域的新发现。这个发现真的令人惊讶,因为铁是有磁性的,过去的经验告诉我们磁场会破坏超导,而Hosono却发现了26 K转变温度的铁基高温超导。这一成果在他文章发表之前就已经被日本媒体报道了。中科院物理所(IOP)王楠林课题组的年轻教授陈根富曾在日本工作,能阅读日文资料。王的团队就抓住契机,迅速在国内展开研究。不到一周,材料就合成出来了,并把结果放在网上,重新引起了对提高超导转变温度研究的广泛兴趣。之后,陈仙辉和王楠林的团队将转变温度提高到40 K以上,赵忠贤团队通过加压等手段把超导温度提高到55 K。直到现在,这个温度一直保持着最高的铁砷超导转变温度的记录。其实整个过程也就是几个星期,研究人员没日没夜地工作。Science杂志评论,铁基高温超导把中国的研究推到了这个领域的前沿,有关的团队也获得了应有的荣誉。


需要特别指出的是,如果没有中国政府持续的投入和这个领域的科学家持续的努力,中国的团队不可能在2008年迅速取得引领地位。在过去这些年里,中国对超导领域的资金支持已超过英美等发达国家,让研究人员可以心无旁骛地专注于他们的工作。



从左至右:王楠林、陈仙辉、陈根富


NSR:中国超导方面的成就是否吸引很多国际的合作?


于渌:当然。我之前提到美国的超导研究曾经停滞不前,当看到中国所取得的进步后,美国主动寻求与中国的合作。2010年,美国空军科学研究办公室(AFOSR)的Harold Weinstock提议,在北京与赵忠贤共同发起第一届中美双方联合资助的、关于超导材料的研讨会,接下来的两年里分别在Santa Barbara和香港举办了两次。


除了美国空军科学研究办公室,美国能源部(DOE)也要与中国合作,到今年已举行了三次合作研讨会。这是很不寻常的,因为在过去的几十年里,总是美国帮助中国发展高能物理,但在超导方面,中国与美国有对等的地位。能源部的Harrier Kung曾经提到,她希望中美两国科学家的合作有可能使双方分享诺贝尔奖。


从2002年开始,中科院物理所与清华大学、南京大学等赞助的“高温超导北京论坛”每年都如期举办(除了因为SARS中断一次),今年已是第14届,吸引了国际上这个领域的众多科学家。会议内容充实,而且形成了以讨论为主的有效交流方式,对推动研究水平提升起到了很好的效果。Nature Materials杂志的编辑曾不只一次参加这个会议,论坛的影响力也一直在提高。


拓扑材料新世界


NSR:除了超导材料,近年来拓扑绝缘体好像也是一个重点研究的对象。


于渌:的确如此。我知道NSR已经在这一领域出版了专集。对于拓扑性质的研究是从1980年代量子霍尔效应的发现开始的。拓扑物态是凝聚态物理一个崭新的领域,在这里朗道费米液体和对称破缺的概念并不适用,科学家们开始寻找新的理论范式。


很多科学家在这个领域做出了重要贡献。比如斯坦福大学的张首晟教授,他理论预言了二维拓扑绝缘体材料,之后很快在德国被实验证实。张和国内科学家的交流非常密切。与张一起合作,中科院物理所方忠和戴希的理论计算预言了最重要的三维拓扑绝缘体Bi2Se3系列。之后他们很快发现,掺杂磁性材料造成时间反演对称性破缺,这个类三维拓扑绝缘体是理想的观察量子反常霍尔效应(QAHE)的材料。这个工作发表之后,世界上很多科学家都争相努力,试图第一个做出这种材料。2013年,清华大学薛其坤团队与物理所合作,在经历了多种尝试后,终于成功研制出非常复杂的(四组分的)三维磁有序含Cr的拓扑绝缘体(CrBiSbTe),并且观测到了非常清晰的量子反常霍尔效应。



从左至右:方忠、戴希、薛其坤


回头来看,量子反常霍尔效应的发现也是历经周折。最初,普林斯顿大学的Duncan Haldane预言类似石墨烯的蜂窝结构,有时间反演对称破缺,可能观察到量子反常霍尔效应,但没能实现。之后有几个不同的关于QAHE的提议,包括通过不同的拓扑绝缘体材料组合的方案。方忠等预言了可能的三维材料,但是制备这些材料是非常困难的。虽然有过很多次失败的尝试,实验物理学家们一直相信理论计算是正确的,并不断进行新的尝试,最终取得成功。这个项目的成功是凝聚态物理研究新范式一个很好的例证:理论物理学家与生长样品的材料科学家密切合作,他们精确预测什么是最有前途的材料以及要寻找哪些新的现象,并告诉实验物理学家什么样的结果是他们应该期望得到的。


测量反常量子霍尔效应要求在低温时有非常高的测量精度,物理所的吕力课题组可以把电子温度降低到4 mK,毫无疑问是世界顶尖的技术。虽然量子反常霍尔效应并不需要极低的温度,但达到超低噪声水平是获得高质量数据的关键。这里讲一个有趣的小故事:当薛其坤的文章投稿到Science杂志的时候,审稿人并不相信,但当他们看到原始数据时就信服了。



丁洪,其小组发现了外尔半金属


拓扑材料是现在国际上的研究热门。除了量子反常霍尔效应,中国最近领先的还有拓扑半金属研究。在这些三维狄拉克系统中费米能级正好在狄拉克锥顶部,但是通常左右手性的电子是能量简并的。通过平移或其他对称性破缺,简并就消失了,导致外尔半金属的左右手性的分离,引起像巨磁阻(与粒子物理的手征反常对应)一样的性质。在理论物理学家、实验物理学家和材料科学家富有成效的合作基础上,中国科学团队在设计制备并精确地表征外尔半金属材料方面,再一次占据了先机。由于拓扑保护,两个相反手性的外尔电子态的散射非常弱,可以实现电子传输的极低能耗。这是凝聚态物理领域非常有意思的现象,有可能在未来设计具有低能耗室温超导电子器件方面具有潜在的应用价值。


本文节选自“Lu Yu: the past and future of condensed matter physics”,《赛先生》获授权翻译,已经于渌本人审阅。英文原文发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR) (September 2015) 2 (3): 371-376。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。
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