刘畅 南方科技大学物理系

刘畅，南方科技大学物理系教授。他的研究兴趣主要集中于利用角分辨光电子能谱（ARPES）和其他谱学技术揭示功能材料（例如磁性材料、拓扑材料和热电材料）的新颖电子特性。他的研究小组还掌握了助熔剂法、化学气相转移（CVT）和分子束外延（MBE）等材料生长技术。在磁性材料领域，他的工作揭示了非常规反铁磁体中能带的自旋劈裂。在拓扑材料领域，他的工作发现了磁性拓扑绝缘体中的无能隙拓扑表面态和三维狄拉克半金属中的费米弧表面态等。他目前共发表研究论文80篇左右，被引12000次左右，h因子为46 (Google Scholar)。

工作经历：

2024年12月-至今：南方科技大学物理系教授；

2015年5月-2024年12月：南方科技大学物理系副教授；

2014年8月-2015年4月：南方科技大学物理系助理教授；

2011年7月-2014年7月：美国普林斯顿大学物理系博士后。

学习经历：

2006-2011：美国爱荷华州立大学，获博士学位；

2003-2006：中山大学物理系，获学士学位；

2001-2003：中山大学城市规划专业。

 

 

 

 

主要教学情况：

承担全校通识通修课《大学物理》B（上、下）的教学工作，负责研究生课程《物理实验仪器原理和应用》的组织工作等。

获得奖项：

2017年度南方科技大学青年教师教学竞赛二等奖；

2018年度南方科技大学优秀教学奖。 

培养研究生情况：

博士后4名，在读研究生6名，毕业研究生20名。 

研究领域：

1.角分辨光电子能谱（ARPES）技术、超高真空技术；

2.铁基高温超导体的电子学性质；

3.拓扑绝缘体和凝聚态系统中不寻常拓扑现象的电子学机理；

4.石墨烯和相关材料的电子学性质。

近年来，小组取得的较有代表性的科研成果有：

1. 非常规反铁磁体的谱学发现

在空间、动量和能量上操控电子的自旋是自旋电子学的基础和核心。传统的自旋电子学器件利用铁磁体作为自旋流的发生器和操纵器。然而，铁磁材料的信息存储密度不高，读写速度也相对较慢（GHz量级）。与此相反，反铁磁材料的信息储存密度可以达到原子级，它独有的太赫兹（THz）自旋动力学特性也可以实现皮秒级时间尺度的磁矩反转。由此可见，理想的下一代自旋电子学材料需要具备铁磁体易于写入和读取信息的特性，也需要具备反铁磁体以高稳定性、高密度储存信息的能力和超快的自旋动力学性质。最近，人们关注到自旋轨道耦合为零的极限下磁性材料中的一组以前被忽视的对称操作。这些操作导致了一种新型的、反铁磁诱导的自旋劈裂的出现，使反铁磁体的能带能够实现巨大的、依赖动量的自旋极化。这种非常规反铁磁体的磁电性质和铁磁体更为类似，因此兼具铁磁体和反铁磁体的优点，从而有望取代铁磁体成为自旋电子学的材料基础。2024年，本小组与物理系刘奇航小组、中国科学院上海微系统与信息技术研究所乔山小组合作，利用自旋分辨光电子能谱和第一性原理计算发现了第一个非常规反铁磁体。在非共面反铁磁体二碲化锰（MnTe2）中，我们发现自旋的面内分量相对于布里渊区的高对称平面是反对称的。这导致反铁磁基态中的特殊的“格子状自旋纹理”。这种非常规的自旋极化信号在高温顺磁状态下几乎消失，提示其源于固有的反铁磁序。我们的研究证明了一种由时间反演破缺诱导的新型二次型自旋织构，为反铁磁自旋电子学奠定了坚实的基础，并为研究相关材料中的奇异量子现象铺平了道路。这项研究成果于2024年2月14日发表于《自然》（Nature）。同一期《自然》杂志配发了题为“新型磁性与常规‘劈裂’”(New type of magnetism splits from convention) 的评述文章，指出我们的工作“为理解交错磁性化合物中的自旋劈裂贡献了关键进展——它揭示了这些材料磁性结构固有的复杂性。作者的工作无疑将成为加速这一主题研究的催化剂”。本工作得到了《科技日报》要闻版、国际版和“观察者网”、“DeepTech深科技”等公众号的报道，并被中国《物理》杂志选为封面故事。

2. 磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中无能隙拓扑表面态的发现

拓扑不寻常现象的发现是过去20年内凝聚态物理领域最重要的进展之一，而磁性拓扑材料则是这个领域最新的研究热点和突破口。2013年清华大学薛其坤课题组利用铁磁掺杂的三维拓扑绝缘体在极低温下实现了量子反常霍尔效应（QAHE），标志着凝聚态物理学又一里程碑式的突破。2017年人们在以MnBi2Te4为代表的化合物中发现了化学配比的铁磁/反铁磁TI，把外场诱导的量子化霍尔电导的实现温度提高了一个数量级，为在较高温度下实现QAHE、“轴子绝缘体”以及高陈数的陈绝缘体等新颖的量子物相带来了曙光。理论上，这些化合物都具有A型反铁磁结构，其拓扑表面电子态在其天然解理面上支持一个较大的磁性能隙，这个能隙的存在是实现轴子绝缘体和拓扑磁电效应等重要量子行为的必要条件。2019年，本小组与物理系刘奇航小组、量子研究院陈朝宇小组以及日本广岛同步辐射光源实验室合作，利用激光ARPES和基于低能同步辐射光的系统性的ARPES数据指出MnBi2Te4的拓扑表面态能隙近似为零。这一发现改写了此前的结论，使磁性拓扑体系的研究迈入一个新的阶段。这项研究成果于2019年11月21日发表于《物理学评论X》（Physical Review X），并被美国《物理》（Physics）杂志作精选报道。

3. 对热电材料SnSe价带的测量及对其热电机理的讨论

热电材料是能够实现热能与电能直接相互转换的新能源材料，在热电制冷和废热发电等方面有着广泛的应用前景，对于提高现有能源利用率和缓解能源危机有重要作用。2014年发现的硒化锡单晶改写了单晶不能成为优秀热电材料的历史。2017年，本小组与物理系何佳清小组、北航赵立东小组合作，利用南科大测试中心的ARPES仪器对无掺杂和空穴掺杂的SnSe单晶在不同温度 (80 – 600 K) 下的能带结构作了系统性的测量，提供了定量解释该体系中温区电属性的一种思路。这项研究成果于2017年发表于《物理学评论快报》（Physical Review Letters）。本小组本科生陆强声为第一作者。 

 

 

论文文章：

1. Ke Zhang; Yusen Feng; Yu Chen; Jie Gong; Lin Xu; Zhenhua Wu; Chang Liu; Chaoyu Chen; Kenya Shimada; Liang Qiao.Spin-momentum locking in locally noncentrosymmetric quantum materials.Reports on Progress in Physics.2025-10-01 | Journal article.DOI: 10.1088/1361-6633/ae1379

2. Meng Zeng*, Ming-Yuan Zhu*, Yu-Peng Zhu* et al., Observation of spin splitting in room-temperature metallic antiferromagnet CrSb. Adv. Sci. 11, 2406529 (2024).

3. Xiang-Rui Liu*, Ming-Yuan Zhu* et al., Observation of floating surface state in obstructed atomic insulator candidate NiP2. npj Quantum Mater. 9, 85 (2024).

4. Yu-Peng Zhu*, Xiaobing Chen*,Chang Liu et al., Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet. Nature 626, 523 (2024) 

5. Xiang-Rui Liu*, Hanbin Deng*, Yuntian Liu* et al., Spectroscopic signature of obstructed surface states in SrIn2P2. Nat. Commun. 14, 2905 (2023)

6. Xiao-Ming Ma, Yufei Zhao, Ke Zhang, Shiv Kumar et al., Realization of a tunable surface Dirac gap in Sb-doped MnBi2Te4. Phys. Rev. B 103, L121112 (2021) (Editors' Suggestion)

7. Ruie Lu, Hongyi Sun, Shiv Kumar, Yuan Wang et al., Half-magnetic topological insulator with magnetization-induced Dirac gap at a selected surface. Phys. Rev. X 11, 011039 (2021)

8. Chun-Sheng Zhou; Xiang-Rui Liu; Yue Feng; Xiji Shao; Meng Zeng; Kedong Wang; Min Feng; Chang Liu, Quantum-confinement-induced periodic surface states in two-dimensional metal-organic frameworks. Applied Physics Letters. 117, 191601 (2020).DOI: 10.1063/5.0026372

9. Fuchen Hou*, Qiushi Yao* et al., Te-vacancy-induced surface collapse and reconstruction in antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4. ACS Nano 14, 11262 (2020)

10. Xuefeng Wu*, Jiayu Li*, Xiao-Ming Ma*, Yu Zhang* et al., Distinct topological surface states on the two terminations of MnBi4Te7. Phys. Rev. X 10, 031013 (2020)

11. 刘畅, 刘祥瑞. 强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展. 物理学报 68, 227901 (2019) (特约综述文章)

12. Yu-Jie Hao*, Pengfei Liu*, Yue Feng* et al., Gapless surface Dirac cone in antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4. Phys. Rev. X 9, 041038 (2019) (Physics 精选报道)

13. Wenke He et al., High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals. Science 365, 1418 (2019)

14. Xiao-Bo Wang*, Xiao-Ming Ma* et al., Topological surface electronic states in candidate nodal-line semimetal CaAgAs. Phys. Rev. B 96, 161112(R) (2017)（刘畅为通讯作者）

15. Qiangsheng Lu et al., Unexpected large hole effective masses in SnSe revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 119, 116401 (2017) （刘畅为通讯作者）

16. Ilya Belopolski; Su-Yang Xu; Nikesh Koirala; Chang Liu; Guang Bian; Vladimir N. Strocov; Guoqing Chang; Madhab Neupane; Nasser Alidoust; Daniel Sanchez et al.A novel artificial condensed matter lattice and a new platform for one-dimensional topological phases.Science Advances.2017-03 | Journal article.DOI: 10.1126/sciadv.1501692

17. Nasser Alidoust; Chang Liu; Su-Yang Xu; Ilya Belopolski; Tongfei Qi; Minggang Zeng; Daniel S. Sanchez; Hao Zheng; Guang Bian; Madhab Neupane et al., Observation of metallic surface states in the strongly correlated Kitaev-Heisenberg candidate Na2IrO3. Physical Review B 93, 245132 (2016)

18. S. Jiang*, Chang Liu* et al., Structural and magnetic phase transitions in Ca0.73La0.27FeAs2 with electron-overdoped FeAs layers. Phys. Rev. B 93, 054522 (2016)

19. Su-Yang Xu; Chang Liu; N. Alidoust; M. Neupane; D. Qian; I. Belopolski; J. D. Denlinger; Y. J. Wang; H. Lin; L. A. Wray et al.Corrigendum: Observation of a topological crystalline insulator phase and topological phase transition in Pb1−xSnxTe.Nature Communications.2016-08-04 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms12505

20. Guang Bian; Ting-Fung Chung; Chaoyu Chen; Chang Liu; Tay-Rong Chang; Tailung Wu; Ilya Belopolski; Hao Zheng; Su-Yang Xu; Daniel S Sanchez et al.Experimental observation of two massless Dirac-fermion gases in graphene-topological insulator heterostructure.2D Materials.2016-05-10 | Journal article.DOI: 10.1088/2053-1583/3/2/021009 

21. Guang Bian; Tay-Rong Chang; Raman Sankar; Su-Yang Xu; Hao Zheng; Titus Neupert; Ching-Kai Chiu; Shin-Ming Huang; Guoqing Chang; Ilya Belopolski et al.Topological nodal-line fermions in spin-orbit metal PbTaSe2.Nature Communications.2016-02-02 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms10556

22. Chang Liu; Guang Bian; Tay-Rong Chang; Kedong Wang; Su-Yang Xu; Ilya Belopolski; Irek Miotkowski; Helin Cao; Koji Miyamoto; Chaoqiang Xu et al., Tunable spin helical Dirac quasiparticles on the surface of three-dimensional HgTe. Physical Review B  92, 115436 (2015).DOI: 10.1103/physrevb.92.115436

23. Su-Yang Xu*, Chang Liu* et al., Observation of Fermi arc surface states in a topological metal. Science 347, 294 (2015).DOI: 10.1126/science.1256742

24. Madhab Neupane; Su-Yang Xu; Yukiaki Ishida; Shuang Jia; Benjamin M. Fregoso; Chang Liu; Ilya Belopolski; Guang Bian; Nasser Alidoust; Tomasz Durakiewicz et al.Gigantic Surface Lifetime of an Intrinsic Topological Insulator.Physical Review Letters.2015-09-09 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevlett.115.116801

25. Su-Yang Xu; Chang Liu; I. Belopolski; S. K. Kushwaha; R. Sankar; J. W. Krizan; T.-R. Chang; C. M. Polley; J. Adell; T. Balasubramanian et al.Lifshitz transition and Van Hove singularity in a three-dimensional topological Dirac semimetal.Physical Review B.2015-08-10 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.92.075115

26. Madhab Neupane; Su-Yang Xu; Nasser Alidoust; Raman Sankar; Ilya Belopolski; Daniel S. Sanchez; Guang Bian; Chang Liu; Tay-Rong Chang; Horng-Tay Jeng et al.Surface versus bulk Dirac state tuning in a three-dimensional topological Dirac semimetal.Physical Review B.2015-06 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.91.241114

27. Su-Yang Xu; Madhab Neupane; Ilya Belopolski; Chang Liu; Nasser Alidoust; Guang Bian; Shuang Jia; Gabriel Landolt; Batosz Slomski; J. Hugo Dil et al.Unconventional transformation of spin Dirac phase across a topological quantum phase transition.Nature Communications.2015-04 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms7870

28. Rui Jiang; Daixing Mou; Chang Liu; Xin Zhao; Yongxin Yao; Hyejin Ryu; C. Petrovic; Kai-Ming Ho; Adam Kaminski.Electronic structure ofCe2RhIn8: A two-dimensional heavy-fermion system studied by angle-resolved photoemission spectroscopy.Physical Review B.2015-04-01 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.91.165101

29. Madhab Neupane; Su-Yang Xu; Nasser Alidoust; Guang Bian; D. J. Kim; Chang Liu; I. Belopolski; T.-R. Chang; H.-T. Jeng; T. Durakiewicz et al.Non-Kondo-like Electronic Structure in the Correlated Rare-Earth HexaborideYbB6.Physical Review Letters.2015-01-07 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevlett.114.016403

30. Yang Xu; Ireneusz Miotkowski; Chang Liu; Jifa Tian; Hyoungdo Nam; Nasser Alidoust; Jiuning Hu; Chih-Kang Shih; M. Zahid Hasan; Yong P. Chen, Observation of topological surface state quantum Hall effect in an intrinsic three-dimensional topological insulator. Nature Physics 10, 956 (2014)

31. Chang Liu; Su-Yang Xu; Nasser Alidoust; Tay-Rong Chang; Hsin Lin; Chetan Dhital; Sovit Khadka; Madhab Neupane; Ilya Belopolski; Gabriel Landolt et al., Spin-correlated electronic state on the surface of a spin-orbit Mott system. Physical Review B  90, 045127 (2014)

32. Jie Ren; Guang Bian; Li Fu; Chang Liu; Tao Wang; Gangqiang Zha; Wanqi Jie; Madhab Neupane; T. Miller; M. Z. Hasan et al.Electronic structure of the quantum spin Hall parent compound CdTe and related topological issues.Physical Review B.2014-11 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.90.205211 

33. Su-Yang Xu; Nasser Alidoust; Ilya Belopolski; Anthony Richardella; Chang Liu; Madhab Neupane; Guang Bian; Song-Hsun Huang; Raman Sankar; Chen Fang et al.Momentum-space imaging of Cooper pairing in a half-Dirac-gas topological superconductor.Nature Physics.2014-11-02 | Journal article.DOI: 10.1038/nphys3139

34. Nasser Alidoust; Guang Bian; Su-Yang Xu; Raman Sankar; Madhab Neupane; Chang Liu; Ilya Belopolski; Dong-Xia Qu; Jonathan D. Denlinger; Fang-Cheng Chou et al.Erratum: Observation of monolayer valence band spin-orbit effect and induced quantum well states in MoX2.Nature Communications.2014-10 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms6136

35. Su-Yang Xu; Chang Liu; Anthony Richardella; I. Belopolski; N. Alidoust; M. Neupane; G. Bian; Nitin Samarth; M. Z. Hasan.Fermi-level electronic structure of a topological-insulator/cuprate-superconductor based heterostructure in the superconducting proximity effect regime.Physical Review B.2014-08 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.90.085128 

36. Nasser Alidoust; Guang Bian; Su-Yang Xu; Raman Sankar; Madhab Neupane; Chang Liu; Ilya Belopolski; Dong-Xia Qu; Jonathan D. Denlinger; Fang-Cheng Chou et al.Observation of monolayer valence band spin-orbit effect and induced quantum well states in MoX2.Nature Communications.2014-08 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms5673 

37. Madhab Neupane; Anthony Richardella; Jaime Sánchez-Barriga; SuYang Xu; Nasser Alidoust; Ilya Belopolski; Chang Liu; Guang Bian; Duming Zhang; Dmitry Marchenko et al.Observation of quantum-tunnelling-modulated spin texture in ultrathin topological insulator Bi2Se3 films.Nature Communications.2014-05 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms4841

38. Madhab Neupane; Su-Yang Xu; Raman Sankar; Nasser Alidoust; Guang Bian; Chang Liu; Ilya Belopolski; Tay-Rong Chang; Horng-Tay Jeng; Hsin Lin et al.Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd3As2.Nature Communications.2014-05-07 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms4786

39. M. Neupane; N. Alidoust; S-Y. Xu; T. Kondo; Y. Ishida; D. J. Kim; Chang Liu; I. Belopolski; Y. J. Jo; T-R. Chang et al.Surface electronic structure of the topological Kondo-insulator candidate correlated electron system SmB6.Nature Communications.2013 | Journal article.DOI: 10.1038/ncomms3991

40. M. Neupane; S. Basak; N. Alidoust; S.-Y. Xu; Chang Liu; I. Belopolski; G. Bian; J. Xiong; H. Ji; S. Jia et al.Oscillatory surface dichroism of the insulating topological insulator Bi2Te2Se.Physical Review B.2013-10 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.88.165129   

41. Helin Cao; Rama Venkatasubramanian; Chang Liu; Jonathan Pierce; Haoran Yang; M. Zahid Hasan; Yue Wu; Yong P. Chen.Topological insulator Bi2Te3 films synthesized by metal organic chemical vapor deposition.Applied Physics Letters.2012-10 | Journal article.DOI: 10.1063/1.4760226

42. Matthew Brahlek; Namrata Bansal; Nikesh Koirala; Su-Yang Xu; Madhab Neupane; Chang Liu; M. Zahid Hasan; Seongshik Oh.Topological-Metal to Band-Insulator Transition in(Bi1−xInx)2Se3Thin Films.Physical Review Letters.2012-10 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevlett.109.186403 

43. M. Neupane; S.-Y. Xu; L. A. Wray; A. Petersen; R. Shankar; N. Alidoust; Chang Liu; A. Fedorov; H. Ji; J. M. Allred et al.Topological surface states and Dirac point tuning in ternary topological insulators.Physical Review B.2012-06-04 | Journal article.DOI: 10.1103/physrevb.85.235406 

44. Su-Yang Xu; Chang Liu; N. Alidoust; M. Neupane; D. Qian; I. Belopolski; J.D. Denlinger; Y.J. Wang; H. Lin; L.A. Wray et al., Observation of a topological crystalline insulator phase and topological phase transition in Pb1-xSnxTe. Nature Communications 3, 1192 (2012)

45. Su-Yang Xu; Madhab Neupane; Chang Liu; Duming Zhang; Anthony Richardella; L. Andrew Wray; Nasser Alidoust; Mats Leandersson; Thiagarajan Balasubramanian; Jaime Sánchez-Barriga et al., Hedgehog spin texture and Berry's phase tuning in a magnetic topological insulator. Nature Physics 8, 616 (2012)

46. Madhab Neupane; Chang Liu; Su-Yang Xu; Yung-Jui Wang; Ni Ni; J. M. Allred; L. A. Wray; N. Alidoust; Hsin Lin; R. S. Markiewicz et al., Fermi-surface topology and low-lying electronic structure of the iron-based superconductor Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5. Phys. Rev. B 85, 094510 (2012) (Editors' Suggestion)

47. R. S. Dhaka; Chang Liu; R. M. Fernandes; Rui Jiang; C. P. Strehlow; Takeshi Kondo; A. Thaler; Jörg Schmalian; S. L. Bud’ko; P. C. Canfield et al., What controls the phase diagram and superconductivity in Ru-substituted BaFe2As2? Physical Review Letters. 107, 267002 (2011)

48. Chang Liu ; A. D. Palczewski; R. S. Dhaka; Takeshi Kondo; R. M. Fernandes; E. D. Mun; H. Hodovanets; A. N. Thaler; J. Schmalian; S. L. Bud’ko et al., Importance of Fermi surface topology to the superconducting state of the electron-doped pnictide Ba(Fe1-xCox)2As2. Physical Review B 84, 020509(R) (2011)

49. Chang Liu ; Yongbin Lee; Takeshi Kondo; Eun Deok Mun; Malinda Caudle; B. N. Harmon; Sergey L. Bud’ko; Paul C. Canfield; Adam Kaminski, Metallic surface electronic state in half-Heusler compounds RPtBi (R = Lu, Dy, Gd). Physical Review B  83, 205133 (2011)

50. Colin McMillen; Joseph Kolis; Chang Liu; Adam Kaminski; John Ballato.Hydrothermal Growth and Properties of KBe^2BO^3F^2(KBBF) and RbBe^2BO^3F^2(RBBF) Single Crystals.Advanced Photonics & Renewable Energy.2010 | Conference paper.DOI: 10.1364/np.2010.nthc6

51. Chang Liu; Yongbin Lee; A. D. Palczewski; J.-Q. Yan; Takeshi Kondo; B. N. Harmon; R. W. McCallum; T. A. Lograsso; A. Kaminski, Surface-driven electronic structure in LaFeAsO studied by angle-resolved photoemission spectroscopy. Physical Review B. B 82, 075135 (2010) (Editors' Suggestion)

52. Chang Liu*; Takeshi Kondo; Rafael M. Fernandes; Ari D. Palczewski; Eun Deok Mun; Ni Ni; Alexander N. Thaler; Aaron Bostwick; Eli Rotenberg; Jörg Schmalian et al. Evidence for a Lifshitz transition in electron-doped iron arsenic superconductors at the onset of superconductivity. Nature Physics 6, 419 (2010)

53. Takeshi Kondo; R. M. Fernandes; R. Khasanov; Chang Liu; A. D. Palczewski; Ni Ni; M. Shi; A. Bostwick; E. Rotenberg; J. Schmalian et al. Unexpected Fermi-surface nesting in the pnictide parent compounds BaFe2As2 and CaFe2As2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy. Physical Review B  81, 060507(R) (2010)

54. Chang Liu; Takeshi Kondo; A.D. Palczewski; G.D. Samolyuk; Y. Lee; M.E. Tillman; Ni Ni; E.D. Mun; R. Gordon; A.F. Santander-Syro et al., Electronic properties of iron arsenic high temperature superconductors revealed by angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Physica C: Superconductivity  469, 491 (2009)

55. Chang Liu; Takeshi Kondo; Ni Ni; A. D. Palczewski; A. Bostwick; G. D. Samolyuk; R. Khasanov; M. Shi; E. Rotenberg; S. L. Bud’ko et al. Three- to Two-Dimensional Transition of the Electronic Structure inCaFe2As2: A Parent Compound for an Iron Arsenic High-Temperature Superconductor. Physical Review Letters. 102, 167004 (2009)

56. Chang Liu; G. D. Samolyuk; Y. Lee; Ni Ni; Takeshi Kondo; A. F. Santander-Syro; S. L. Bud’ko; J. L. McChesney; E. Rotenberg; T. Valla et al., K-Doping Dependence of the Fermi Surface of the Iron-ArsenicBa1−xKxFe2As2Superconductor Using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy. Physical Review Letters. 101, 177005 (2008)

57. Takeshi Kondo; A. F. Santander-Syro; O. Copie; Chang Liu; M. E. Tillman; E. D. Mun; J. Schmalian; S. L. Bud’ko; M. A. Tanatar; P. C. Canfield et al.., Momentum Dependence of the Superconducting Gap inNdFeAsO0.9F0.1Single Crystals Measured by Angle Resolved Photoemission Spectroscopy. Physical Review Letters. 101, 147003 (2008)

* 同等贡献的第一作者.

所获荣誉：

2015：“青年千人计划”入选者

2014：深圳市海外高层次人才“孔雀计划”入选

 

刘畅：“万花筒”里看世界

 

还记得童年时玩过的万花筒吗？小小光学玩具里那一朵朵五彩斑斓的“花”，承载着多少少年在物理世界里遨游的梦想。

多年前，当角分辨光电子能谱仪（ARPES）里反映原始数据的那一幅幅漂亮的花朵图案第一次展现在刘畅面前的时候，自嘲“向来对漂亮的东西零忍耐度”的他立马就被这一“像万花筒一样的东西”吸引住，从此笃定要将它与自己的工作“快乐地联系在一起”。

多年过去，当年的懵懂少年已然成为南方科技大学物理系的一名副教授。凭着自己的努力，他先后走过美国爱荷华州立大学、普林斯顿大学等国际物理研究科学殿堂，收获了满满的“快乐探寻感”。

工欲善其事必先利其“器”

“万花筒”下的铁基超导和拓扑绝缘体研究

至今，刘畅依然对那天的场景记忆犹新：

时值2008年铁基超导体刚被发现并迅速成为爆炸性研究热点的头一个月，他还是爱荷华州立大学凝聚态物理专业的一名在读博士生。有一天，他的导师——Adam Kaminski教授推门而至，让他放下手头的工作，立马参与到学校铁基超导体相关研究的进展工作中来，而他所要做的工作就是利用ARPES，完成国际上对铁基超导体能带结构及超导能隙的最初测量。于是，在短短几个月时间内，通过日夜奋战，刘畅完成了世界上用ARPES研究铁基超导体的第一份文献。由于实验的高难度，这一工作也是迄今为止用ARPES研究超导转变温度大于50K的“1111”族铁基超导体的少数几个工作之一。

“其实就是因为我们的工作做得早。”刘畅笑言自己获得开创性研究成果的原因。在日新月异的科学界，只有抓住契机站在国际前沿，并一直保持领先的态势，才会一直居于前列。身处世界科学研究的“前沿阵地”，刘畅非常幸运地把握住“风向”站在了科技浪潮的前端，为自己积累了宝贵的财富。而在接下来的工作中，他并没有放松丝毫，而是继续“趁胜追击”，收获了“满园硕果”：

他用ARPES揭示了电荷与空穴掺杂下铁基超导体能带的准刚性变化，并在国际上首次突出了铁基超导体和经典的铜氧高温超导体的本质区别；作为第一作者，他对电荷掺杂122体系的能带进行了深入的研究，首次指出铁基超导体的超导相只在动量空间M点出现电子型费米面时才有可能存在……

这一系列创新成果发表的论文成为铁基超导领域具有奠基性影响的重要引文（其中以第一作者发表文章7篇，至今共获得544个引用，单篇最高引用215次；合作发表文章单篇最高引用258次），其中多篇文章被权威的总结性评论文章引用和赞誉。

值得一提的是，在这一阶段，刘畅对其他新型材料也有浓厚的兴趣，发表了至今唯一一篇利用ARPES研究稀土—铋—铂体系拓扑特性的文章。这一研究同时也为他后来在普林斯顿大学的研究奠定了良好的基础。

从2011年下半年至今，刘畅开始在普林斯顿大学Zahid Hasan小组工作，主要用ARPES研究新型材料的各种不寻常拓扑性质。Zahid Hasan教授是三维拓扑绝缘体的实验发现者，也是诺贝尔奖的有力竞争者，其小组以大胆的创新和强大的持续攻坚能力著称。在小组的带动和影响下，刘畅的研究同样极具创新性和攻坚性：他广泛测量了多类新型材料的电子学性质，包括多种基于铋的三维拓扑绝缘体更新颖的拓扑晶格绝缘体以及另外几个研究的热点——铱酸盐、石墨烯、过渡金属二硫化物等。在实验上，他通过自旋分辨的ARPES首次观察到铱酸盐的自旋极化表面量子态；挑战实验高难度，成为目前世界上唯一对HgTe单晶进行ARPES研究的科学家；和同事一起发现了第一种拓扑晶格绝缘体（论文发表于Nature Communications）等。

“工欲善其事必先利其器”，对刘畅来说，ARPES就是他手中持有的“利器”，有了这一神奇的“万花筒”，他可以自由地探寻奇异的超导和拓扑现象，从而步步揭开这些物理世界中充满神奇的奥秘。

扬帆再启航

“工作和生活都像万花筒”

“非常有趣的”“奇怪的”……刘畅口中，他所研究的对象与很多非专业人士所认为的枯燥难懂不同，是充满神奇乐趣的。而这，或许是他研究有所成最主要的原因之一。在他的理念里，就是觉得自己应该做一些有趣的事情，而他现在所研，恰恰符合了这一要求。

令人诧异的是，这位对自己所研充满十足热情的青年科学家并不是一早就钟情于此。1982年出生的他身上颇有着一股子“80后”特有的“心随我意”的洒脱和主张。初进入中山大学，他为自己所选的专业是城市规划，只因自己的母亲是一名园林设计高级工程师，他觉得自己应该会对相关画图一类的工作感兴趣。但两年后，他做出了一个让人惊讶的举动：转投物理专业，只因发现自己“并不太喜欢画画”，而物理专业是基础学科，他认为“应该能学到东西”，相比于数学的“太难”、化学的“有毒”“物理是最好的选择”。“但当深入其中，发现它也并不容易”刘畅笑言道。幽默、实在的性格毕显无疑。

2014年，带着满身所学，刘畅回到了祖国，并选择了“离自己家比较近”的南方科技大学入职，香江畔这个教育改革的先锋高校是他梦想启航的地方，这里聚集了一大批和他一样从海外归来的精英。在深圳市人才计划和学校的大力支持下，虽然回国的时间并不长，但是刘畅的科研和实验室建设进展都很顺利。2015年，刘畅入选“青年QR计划”。

南方科技大学近年来将实验凝聚态物理，特别是角分辨光电子能谱仪等方面的研究作为学科发展重点之一。它在实验室硬件方面已经积累了一定的基础，包括筹备的凝聚态物理多功能测试平台将于2015年交付使用等。

与此同时，刘畅还与一大批相关方面的研究专家保持密切的合作关系，这其中包括国内外的晶体和薄膜生长专家（南科大校内、加州大学洛杉矶分校（UCLA）、普渡大学、爱荷华州立大学等），同步加速器科学家，电子输运测量专家，STM专家（南科大校内等），理论计算专家（南科大校内、普林斯顿大学等）。

凭借这些以及自己对美国及世界各国高校或研究所的教学和科研管理工作的经验，刘畅计划将自己在实验凝聚态物理方面的研究深入并拓展，包括（但不限于）利用角分辨光电子能谱仪（ARPES）研究以下几类在过去十年蓬勃发展起来的新颖的电子学系统：具有不寻常拓扑性质的凝聚态系统，包括拓扑绝缘体、拓扑晶格绝缘体等；铁基高温超导体；以及石墨烯以及相关的低维电子系统、异质结构等。

目前，作为团队负责人，刘畅已经组建起一支小型却很精干的队伍。这支队伍成员的平均年龄不超过35周岁，拥有凝聚态物理或材料学相关的博士或硕士学位，研究团队中的工程师经过极其严格的实战操练，是全国少见的仪器方面的人才。目前，刘畅已经和美国一所大学达成联合培养博士生的意向，以吸引更多更好的人才加入。

虽然工作很繁忙，但刘畅依然对生活保持着“80后”特有的激情，登山、旅游、摄影……对他来说，工作是个“万花筒”，而生活何尝不是一个更神奇的“万花筒”，无论做什么，都要从中找到乐趣，乐即不知疲。

       来源：科学中国人  2016年第1期创新之路