王健,男,1979 年生,北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师、研究员。 国家“青年**计划”专家。
教育及工作经历:
1997年-2001年,山东大学物理学院,获物理学学士。
2001年-2006年,中国科学院物理研究所,获凝聚态物理博士。
2006年-2010年,美国宾夕 法尼亚州立大学纳米科学中心和物理系做博士后。
2010年-2011年,美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心助理研究员 (Research Associate)。
2010年-至今,北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师、研究员。
学术兼职:
1、担任国际知名SCI学术期刊2D Materials 的客座编辑。
2、担任Scientific Reports编委成员。
3、美国物理联合会中国顾问委员会成员。
4、Rare Metals的编委成员。
5、Nature Communications、PRL、PRX、Angewandte Chemie、Advanced Materials、ACS Nano、Physical Review B等十多种SCI期刊审稿人。
培养研究生情况:
每年拟招博士研究生1到2名。
研究方向:
低维纳米尺度量子材料和器件的物性研究。
研究兴趣:
低维超导与拓扑材料的物性,以及新的量子材料的探索。具体包括:(1)拓扑绝缘体及相关量子体系中的电输运及自旋输运特性;(2)异质结构中宏观量子态间的相互作用(如超导和铁磁的相互作用、超导和拓扑的相互作用等);(3)低维体系中的超导特性研究。等等。
主要科研业绩:
(1) 在二维极限下的界面超导方面:首次在二维超导中发现和证实了量子Griffiths相变行为;发现一种新的二维超导体,为类石墨烯结构的人工的二维晶格:外延生长在GaN衬底上的Ga双原子层;我们首次对STO衬底上的单层FeSe开展了电输运与迈斯纳效应等测量,证实了其为最薄的高温超导体。
(2)在拓扑新材料方面,我们系统研究了三维狄拉克半金属Cd3As2的电输运特性;在此基础上用硬点接触的方法在Cd3As2表面观测到点接触区域的超导,该超导有可能是拓扑超导。
(3)在拓扑绝缘体的电输运领域取得了一系列重要进展:如首次定量引入电子-电子相互作用的量子修正,率先在拓扑绝缘体和超导相互作用的实验中取得突破,首次开展了拓扑绝缘体超晶格的量子输运特性和拓扑绝缘体异质结的物性实验等研究。
(4)在纳米超导的近邻效应方面:在实验上观测到单晶铁磁(钴和镍)纳米线与超导纳米电极间的长程铁磁超导相互作用和在相变点的电阻异常峰,该结果为当前新兴前沿领域铁磁-超导纳米异质结构物性研究中的重大突破,进一步推动了该领域的发展;在实验上研究了单晶金属(金)纳米线中超导长程近邻效应诱导的超导特性,发现了新的窄能隙的超导态和在磁场引发的超导相变过程中的微分磁阻振荡行为等。
(5)在一维超导方面:实验发现单晶半金属铋纳米线在低温下(1K附近)显示超导特性,并观测到磁场下的量子振荡行为,结果表明在超导温度以下铋纳米线的表面存在奇异的超导-金属共存态等。
发明专利:
以第一申请人获专利7项,申请专利2项。
近年来在Science, Nature Materials, Nature Physics, Nature Nanotechnology, Nature Communications, PRX, PRL, JACS, Nano Letters等国际一流学术期刊发表SCI论文五十篇。相关工作得到了国际学术界的广泛关注。此外,在国际科技类出版社InTech出专业书一章。
发表论文:
1. Ying Xing, Hui-Min Zhang, Hai-Long Fu, Haiwen Liu, Yi Sun, Jun-Ping Peng, Fa Wang, Xi Lin, Xu-Cun Ma, Qi-Kun Xue, Jian Wang, X. C. Xie. 'Quantum Griffiths singularity of superconductor-metal transition in Ga thin films', Science 350, 542-545 (2015)(Corresponding author and the paper was accompanied with a perspective article: “Randomness rules” (Science 350, 509).)
2. He Wang, Huichao Wang, Haiwen Liu, Hong Lu, Wuhao Yang, Shuang Jia, Xiong-Jun Liu, X. C. Xie, Jian Wei and Jian Wang. 'Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal Cd3As2 crystals',Nature Materials DOI:10.1038/nmat4456(Corresponding author)
3. Jian Wang, Meenakshi Singh, Mingliang Tian, Nitesh Kumar, Bangzhi Liu, Chuntai Shi, J.K. Jain, Nitin Samarth, T. E. Mallouk, and M. H. W. Chan, “Interplay between superconductivity and ferromagnetism in crystalline nanowires”, Nature Physics 6, 389-394 (2010)(Corresponding author and the paper was accompanied with a News and Views article in the same journal: Nature Physics 6, 329 (2010))
4. Yanfei Zhao, Haiwen Liu, Chenglong Zhang, Huichao Wang, Junfeng Wang, Ziquan Lin, Ying Xing, Hong Lu, Jun Liu, Yong Wang, Scott M. Brombosz, Zhili Xiao, Shuang Jia, X. C. Xie, and Jian Wang. 'Anisotropic Fermi Surface and Quantum Limit Transport in High Mobility Three-Dimensional Dirac Semimetal Cd3As2',Physical Review X 5, 031037 (2015)(Corresponding author)
5. Hui-Min Zhang, Yi Sun, Wei Li, Jun-Ping Peng, Can-Li Song, Ying Xing, Qinghua Zhang, Jiaqi Guan, Zhi Li, Yanfei Zhao, Shuaihua Ji, Lili Wang, Ke He, Xi Chen, Lin Gu, Langsheng Ling, Mingliang Tian, Lian Li, X. C. Xie, Jianping Liu, Hui Yang, Qi-Kun Xue, Jian Wang, and Xucun Ma, “Detection of a Superconducting Phase in a Two-Atom Layer of Hexagonal Ga Film Grown on Semiconducting GaN(0001)”,Physical Review Letters 114, 107003 (2015)(Editors’ Suggestion and corresponding author)
6. Jian Wang, Chuntai Shi, Mingliang Tian, Qi Zhang, Nitesh Kumar, J. K. Jain, T. E. Mallouk,and M. H. W. Chan, “Proximity-induced superconductivity in nanowires: minigap state and differential magnetoresistance oscillations”, Physical Review Letters102, 247003 (2009)(Corresponding author)
7. Mingliang Tian, Jian Wang, Wei Nin, Thomas E. Mallouk, and Moses H. W. Chan, “Surface Superconductivity in Thin Cylindrical Bi Nanowire”, Nano Letters15, 1487–1492(2015) (Co-first author)
8. Yanfei Zhao, Haiwen Liu, Xin Guo, Ying Jiang, Yi Sun, Huichao Wang, Yong Wang, Han-Dong Li, Mao Hai Xie, Xin-Cheng Xie, and Jian Wang, “Crossover from 3D to 2D Quantum Transport in Bi2Se3/In2Se3Superlattices”, Nano Letters 14, 5244-5249 (2014)(Corresponding author)
9. Mingliang Tian, Jian Wang, Qi Zhang, Nitesh Kumar, Thomas E. Mallouk, and Moses H. W.Chan, “Superconductivity and quantum oscillations in crystalline Bi nanowire”, Nano Letters9, 3196 (2009)(Corresponding author)
10. ZHANG Wen-Hao, SUN Yi, ZHANG Jin-Song, LI Fang-Sen, GUO Ming-Hua, ZHAO Yan-Fei, ZHANG Hui-Min, PENG Jun-Ping, XING Ying, WANG Hui-Chao, FUJITA Takeshi, HIRATA Akihiko, LI Zhi, DING Hao, TANG Chen-Jia, WANG Meng, WANG Qing-Yan, HE Ke, JI Shuai-Hua, CHEN Xi, WANG Jun-Feng, XIA Zheng-Cai, LI Liang, WANG Ya-Yu,WANG Jian, WANG Li-Li, CHEN Ming-Wei, XUE Qi-Kun, MA Xu-Cun, “Direct Observation of High-Temperature Superconductivity in One-Unit-Cell FeSe Films”, Chin. Phys. Lett. 31, 017401 (2014)(Corresponding author) Sciencehighlighted this paper in Editors' Choice: Science 343, 230 (2014) and this paper is selected as a Highly Cited Paper by Web of Science in 2015.
11. Yanfei Zhao, Haiwen Liu, Jiaqiang Yan, Wei An, Jun Liu, Xi Zhang, Huichao Wang, Yi Liu, Hua Jiang, Qing Li, Yong Wang, Xin-Zheng Li, David Mandrus, X. C. Xie, Minghu Pan, and Jian Wang, “Anisotropic magnetotransport and exotic longitudinal linear magnetoresistance in WTe2 crystals”, Physical Review B 92, 041104(R) (2015) (Editors’ Suggestion and corresponding author)
12. Jian Wang, Ashley M. DaSilva, Cui-Zu Chang, Ke He, J. K. Jain, Nitin Samarth, Xu-Cun Ma, Qi-Kun Xue, and Moses H. W. Chan, “Evidence for electron-electron interaction in topological insulator thin films”,Physical Review B 83, 245438 (2011)(Corresponding author and Selected as a Highly Cited Paper by Web of Science in 2015)
学术交流:
多次在国际重要学术会议上做特邀报告,如凝聚态物理领域最具影响力的美国物理学会三月会议(APS March Meeting 2011&2016)。2015年因二维界面超导的工作在美国物理学会三月会议上召开新闻发布会。作为分会主席在美国组织了2012年和2013年的拓扑绝缘体国际会议(VCTI2012 & 2013EMN)。
荣誉奖励:
1、2011年入选国家首批“青年**计划”。
2、2012年入选 科技部青年科学家专题项目负责人(青年973)。
3、2012年获自然基金委首批优秀青年基金支持。
4、2015年获第二届马丁伍德爵士中国物理科学奖。
5、2015年 Advisor Award for Excellent Doctoral Dissertation at Peking University.
6、2015年被知社学术圈评选为中国十大科技新锐人物。
2015年4月1日,在第十四届全国低温物理学术研讨会的开幕式上,2015年马丁• 伍德爵士中国物理科学奖(Sir Martin Wood China Prize)举行了颁奖仪式。今年的奖项经过评奖委员会的严格评审,确定了最终获奖者——复旦大学李世燕研究员和北京大学王健研究员。中国科学院院士赵忠贤主持了颁奖仪式。
王健研究员(左二)获颁马丁• 伍德爵士中国物理科学奖(左一为牛津仪器中国区总经理张鹏,右一为中国科学院院士赵忠贤,右二为李世燕研究员)
2015年马丁• 伍德爵士中国物理科学奖授予王健研究员,主要表彰其在二维极限下界面增强超导方面的研究和对拓扑超导的探索。具体包括他与合作者一起,首次给出电输运和迈斯纳效应的直接证据,证实碳酸锶(STO)衬底上的单层铁硒(FeSe)薄膜为当前最薄的高温超导体,而且超导特性比体材料时得到极大的增强;首次证实一种新的类石墨烯和硅烯结构的“人造”二维超导晶体:在半导体氮化镓(GaN)衬底上制备的双原子层镓(Ga)膜,其超导转变温度Tc超过体材料稳定相;在系统研究高迁移率三维狄拉克拓扑半金属Cd3As2单晶输运特性的基础上,发现“硬”点接触诱导的超导,揭示了其拓扑超导的可能性等等。
王健毕业于中国科学院物理研究所,师从薛其坤院士,获凝聚态物理博士学位。2006年到2010年,他在美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心和物理系做博士后,合作导师为Moses Chan院士。2010年到2011年在美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心做助理研究员 (Research Associate)。2010年入职北京大学物理学院量子材料科学中心任研究员、博士生导师。2011年王健入选国家首批“青年**计划”,同年全职回国工作。2012年入选首批国家科技部青年科学家专题项目负责人,同年获首批国家自然科学基金委优秀青年科学基金支持。
马丁•伍德爵士中国物理科学奖由牛津仪器在2013年设立,旨在发掘和奖励国内年轻科学家在低温或强磁场环境下做出的突破性研究工作。该奖项每两年颁发一次,奖励1到3名获奖者,奖金总额为10万元人民币。同类的国际奖项有:Nicholas Kurti 欧洲科学奖,Lee Osheroff Richardson 北美科学奖, Sir Martin Wood Prize in Japanese 日本科学奖。在2013年全国低温物理会议的开幕式上,首届马丁•伍德爵士中国物理科学奖授予了清华大学教授王亚愚和中科院物理所副研究员何珂,以表彰他们在拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应领域所取得的卓著实验研究成果。
获奖证书
北京大学PPMS用户王健课题组等发现二维超导的量子Griffiths相变
发布时间:2015/11/04
量子Griffiths相变是物理学重要的科学问题之一,然而实验上直接观测到量子Griffiths奇异性,非常困难。超导体作为一种重要的量子物质和物相,其量子相变与量子临界点现象已得到学术界的广泛关注,但直到最近仍未在超导中发现量子Griffiths奇异性行为。
最近,QUANTUM DESIGN公司在北京大学量子材料科学中心的用户王健研究组,与中心谢心澄教授、林熙研究员、王垡研究员,以及清华大学的薛其坤院士和马旭村研究员等人合作,在三个原子层厚(小于1纳米厚)的Ga(镓)薄膜中发现了二维超导和超导-金属相变行为。研究人员发现,Ga超导薄膜中超导-金属相变对应的临界点随着温度变化形成了一条临界线。相应的临界指数在临界线上连续变化,在趋近零温量子临界点时会发散,而不是通常认知的固定值。因此,传统的超导量子相变理论无法解释该实验结果。分析表明该相变正是理论上预测已久的量子Griffiths奇异性。这是首次在低维体系以及超导体系中发现和证实量子Griffiths奇异性,并且有可能是对超导-金属相变的具有普适性的物理解释。这项工作不仅是发现了一种新的量子相变,而且对超导(包括高温超导)等量子材料体系中量子临界行为的理解提供了新的思路。相关文章于2015年10月15日提前在线发表在Science上(Science DOI: 10.1126/science.aaa7154)。
值得提到的是,该工作的部分重要数据是在我们公司产品综合物性测量系统(PPMS)上完成的,在向我们的用户们表示祝贺和致敬的同时,我们也由衷的为能给中国相关科研工作者带来帮助而感到高兴和自豪。
近日,北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究员与中心谢心澄教授、香港大学谢茂海教授、浙江大学王勇教授等人合作,首次对拓扑绝缘体/普通绝缘体(Bi2Se3/In2Se3)超晶格的量子输运特性展开系统研究。在低温强磁场下对不同拓扑绝缘体层厚的Bi2Se3/In2Se3超晶格的电输运测量发现:改变其中拓扑绝缘体层Bi2Se3的厚度会导致体系的量子输运维度从三维转变为二维。该结果证实了人工调控拓扑材料物性的可行性,是拓扑绝缘体超晶格量子输运特性的首次报道。这一工作为新量子态的探索,也为研发人工调制的拓扑材料及其在磁电、热电和自旋电子学等方面的潜在应用奠定了基础。相关工作以“Crossover from 3D to 2D Quantum Transport in Bi2Se3/In2Se3Superlattices”为题,在线发表于《纳米快报》(Nano Letters DOI: 10.1021/nl502220p(2014))上,北京大学王健研究员、谢心澄教授和香港大学谢茂海教授为该论文共同通讯作者,北京大学博士生赵弇斐和博士后刘海文为论文共同第一作者。
拓扑绝缘体体内是有能隙的绝缘体,而表面是无能隙的自旋轨道耦合的金属态。作为一种新的量子材料,拓扑绝缘体已成为当前凝聚态物理最重要的研究领域之一。超晶格是指在纳米尺度可人工调制周期的晶体结构。最新的理论研究表明,拓扑绝缘体的特殊表面态是Weyl电子的二维体现,而拓扑绝缘体/普通绝缘体形成的超晶格可以构成理论预言的三维Weyl半金属,从而观测到真正的三维表面态。更为重要的是,拓扑绝缘体超晶格结构,有望实现对拓扑材料物性的人工调制。因此拓扑绝缘体超晶格的研究对于发现新的量子现象以及探索新的量子材料都具有重要科学意义。然而,拓扑绝缘体/普通绝缘体超晶格的电输运实验研究及可调控特性一直未见报道。
(Bi2Se3)12/(In2Se3)6 和 (Bi2Se3)6/(In2Se3)6超晶格的量子输运特性
量子材料科学中心王健研究组与合作者近年来在拓扑绝缘体薄膜及其异质结构的电输运特性领域取得了一系列进展:
1、 王健等人在拓扑绝缘体的研究中首次定量引入电子-电子相互作用的量子修正,已成为相关方向的奠基性论文(Physical Review B 83, 245438(2011));
2、 系统研究了三种超导体与拓扑绝缘体薄膜的相互作用(Physical Review B 85, 045415 (2012));
3、 发现拓扑绝缘体薄膜在平行磁场下的负磁阻行为及其与电流方向的相关性(Nano Research 5, 739 (2012));
4、 在半导体砷化镓衬底上成功制备出p型和n型的拓扑绝缘体薄膜,为拓扑绝缘体的p-n型器件研发奠定了基础(AIP Advances 3, 072112 (2013));
5、首次对拓扑绝缘体异质结构进行了电输运实验研究,证实了表面在量子输运中的关键性作用(Scientific Reports 3, 3060 (2013));
6、在平行场下对拓扑绝缘体超薄膜进行了50特斯拉以上的强磁场电输运测量,观测到拓扑绝缘体体态引起的弱反局域化到弱局域化的转变(Scientific Reports 4, 5817 (2014))等。
上述研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、中组部“青年**”计划、高等学校博士学科点专项科研基金以及量子物质科学协同创新中心的支持。
王健:打造国际化的量子科研中心
“回国的这几年里,与我当初的学术目标又近了一步。很高兴在北大量子材料科学中心能带领学生做出国际一流的科研成果,希望不远的将来我的研究组和实验室能与国际最好的科研团队和实验室媲美。”国家首批“青年**计划”专家、北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师王健博士近日接受《*人》杂志的专访,言谈中,少了一份冲动与浮躁,却多了几分踏实与果敢。
近年来在王健博士与团队的共同努力下,得到Science, Nature Materials 等国际一流学术期刊的肯定,共发表SCI论文五十篇。2015年,王健博士在二维超导和拓扑超导研究方面取得了阶段性成果。未来,期望能在超导体和拓扑材料研究方面取得进一步的突破。在国际相关科研领域起到引领作用是他最大的目标。
中国VS美国的科研路
2006年,王健远赴美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心和物理系做博士后,2010年转为美国宾夕法尼亚州立大学助理研究员 (Research Associate)。2011年,王健受首批“青年**”计划资助,在北京大学物理学院量子材料科学中心组建自己的实验室和研究团队,任博士生导师、研究员。回顾和比较海外内的研究经历,王健认为,祖国给了自己实现抱负的平台。
“在美留学期间,导师治学非常严谨,我也在不断的实践中形成科学的思考方式,这为我日后的职业生涯打下了坚实的基础。如果从生活的角度出发,美国在自然环境、社会设施等各方面更加舒适,但实现宏伟的学术理想较为困难,祖国对于人才的重视,让我从中看到希望。”王健在采访中感慨,北大量子材料科学中心大部分为年轻的教授,一切以科研和学术为首,是非常不错的环境,回国这几年,离当初的目标又近了一步,在国际范围内也得到一定的认可。“如果在美国,不一定能做出现在这么重要的科研成果。”
科研的道路中,并非一帆风顺,而是在一次次的失败中总结经验。王健博士在采访中提到:“回国后,我也曾遇到过重要的科研论文被国际著名期刊拒绝的经历。究其原因,虽然我国在某些领域的科研可以与美国和欧洲媲美,但可能在传统的欧美教授心里,或多或少还存有一定的歧视,发表文章面临‘刻板印象’的挑战。但只要不断尝试,勇创新高,总会被国际所承认。比如我们在二维超导中发现的量子Griffiths奇异性就在今年被Science发表,并被Science的“观点”文章重点介绍。另一方面,经费是制约我们取得进一步突破的‘老大难’的问题。‘青年**计划’于我们研究组的的经费支持是莫大的帮助,包括北大也给了不错的启动经费。但如果想与国际上顶级的实验室进行PK,还远远不够。我目前所有的经费都集中在实验室的建设上,拿满了科技部和基金委的各项科研经费,但还是存在资金严重匮乏的问题。此次Science文章发表,差点拿不出经费来付出版费。”面对经费紧张的窘境,王健经常鼓舞学生:“咱们咬紧牙关,勒紧腰带,冲到前面。只要做到国际最好,相信国家和学校会有大力度的支持。”“国家最近几年在科研经费上增长更快,这是中华民族以及经济实现腾飞的一个基础。科研做得越好的研究组,应该能得到更多的经费支持,这是科学研究的规范和科研界的‘马太效应’。”
除在北大任教外,王健博士在众多国际学术会议中,也感受到了我国在国际学术圈中话语权不足的现状:“就我所在的凝聚态物理研究领域而言,我国的科研已接近国际一流水准,某些方向已经国际领先,但在国际上的话语权相对略弱。在国际大型的学术研讨会上,中国科学家少有做大会特邀报告的机会。一些理应荣获的国际大奖,可能失之交臂”王健博士希望以后更多优秀的中国科学家能团结起来,在国际上增强华人科学家的话语权,使得国际科学评价能更加的公正,做到只以成果或成就为导向。
表面生新枝 物理结硕果
2012年和2013年,王健作为分会主席,在美国组织和主持了拓扑绝缘体国际会议。拓扑材料与低维超导是他当前的研究兴趣。
拓扑绝缘体是近年发现的一种全新量子物质态。这个新奇的概念,不仅将两个隔行隔山的名词联系在了一起,更因自身奇特的电子结构和优异性能成为凝聚态物理研究的热门领域。拓扑材料包括拓扑绝缘体也是王健博士目前正在研究的领域,在采访中,他指出:“按照导电性质的不同,材料可分为‘金属’和‘绝缘体’两大类;而更进一步,根据电子态的拓扑性质的不同,材料可分为拓扑和非拓扑的两类。拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样,是绝缘的,但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态,这是它有别于普通绝缘体最独特的性质。拓扑绝缘体材料的边缘态导电,因背散射缺失,是低耗散过程,通俗地说就是不怎么会发热。”集成电路中的电子能量损耗进而引起的发热最终导致器件无法正常工作。这是目前半导体行业乃至整个信息技术发展遇到的最大难题,而运行过程中电子的无序碰撞散射便是造成电子能量损耗的最大原因。拓扑绝缘体的导电边界态,可以将电子有序分开,电子之间“各行其道,互不干扰”,避免碰撞带来无谓的消耗,进而各自高速运行,最终提升运算速度。这一发现让人们对制造未来新型电脑芯片等元器件充满了希望。
对于拓扑绝缘材料的研究,王健博士有一番见解,“目前对于拓扑绝缘材料的研究,一个出发点是其表面态或边界态的低耗散特性可能最终解决电子器件的发热问题。但当前的实验研究发现,对于三维拓扑绝缘体,其二维表面态,还是有因着小角度散射等引起的耗散行为,也即有较大的电阻。换言之,并不能达到理想中的低耗散。即使二维拓扑超导体,其一维边界态能实现低耗散的特性,但可以工作的温度非常得低,通常在零下二百多摄氏度。所以目前的挑战是怎样把材料的低耗散的特性在相对高的温度下实现。如果新型拓扑材料在室温的环境下,可以实现低耗散,那么,它必将引起新一轮的电子技术革命。”王健博士指出,与超导体一样,拓扑材料目前无法实现大规模的运用在于,其重要特性只能在极低温下表现出来。“将拓扑材料与超导体两个方向的研究结合,可以探索理论上预言的拓扑超导体。拓扑超导的边界态可以用于拓扑量子计算,即可容错的量子计算。这是一个非常重要的科学课题,已得到科学界的广泛关注,但目前仍主要停留在理论阶段,实验进展虽然也不少,但还没能完全证实拓扑超导的存在。我的研究团队,最近在这一领域做出些重要进展,未来计划在这个方向进行重点攻关。”
除拓扑材料外,当下,低维界面超导是王健博士的另一研究方向。 “在低维的情况下,维度和衬底界面可以对超导形成一种结构和物性的调制,进而制备出新的具有神奇物理特性的材料。”同时,对于二维薄膜,其实是制备电子元器件的基础。当前量子计算方面最可行的一个技术途径,就是用超导薄膜制备的约瑟夫森结来实现。在物理学界,低维超导的研究逐渐升温,对此,王健博士引用李政道先生的一句话:“表面生新枝,物理结硕果”。如果在表面和界面做出新的方向和突破,物理就会产生很重要的结果。比如拓扑绝缘体表面态、半导体异质结等。同理,传统超导体的研究主要集中在三维的体材料。超导体走向更低维度的研究是新的方向,有更多的空间值得大家去探索。一旦突破,定会结出“硕果”。相对于体材料,低维超导更加容易表现出一些奇异的量子特性。“随着低维超导的重要性日益突出,越来越多的研究组开始重视这一领域,美国、欧洲和日本都取得了重要成果,比如氧化物界面的超导等。值得一提的是,近期我国清华大学薛其坤院士带领的团队率先发现单层铁硒因着界面的调控,可以实现高温超导。这一工作是少见的国内原创,国际上进行跟踪研究的重要方向。另外,我们研究团队今年发表在Science上的文章,二维超导中量子Griffiths相变的发现,也是低维超导领域重要的原创性工作。”
发挥1+1>2的合力
2015年已进入尾声,盘点这一年的汗水与收获,王健博士感慨,今年某些研究成果虽然也遭到国际重要期刊的婉拒,但总体而言,可以给自己交一份有分量的答卷。“我的研究组今年发表SCI论文14篇,包括Science和Nature子刊5篇,物理领域最有影响的期刊PRX和PRL各一篇,以及纳米领域最有影响的刊物Nano Letters一篇。很高兴团队的成员们能在学习中不断成长、壮大。”
提及使科研开花结果的经验,王健博士认为最重要的因素在于把握研究的方向,找准问题的症结,沿着自己的目标一步步的走下去。“世界范围内,国际一流的研究组不在少数,但不是都能培养出有同样影响力的科学工作者。我认为把握研究方向十分重要,对于前沿的科学问题要有较高的敏感度,知道什么是最重要的科学问题,并结合自己实验室可用的具体条件,脚踏实地,逐步攻关、突破。”在保持较高敏感度方面,作为实验物理学家,王健博士提醒,在博士或博士后期间,并非只是单单的发好论文,而需注意实验技术和物理基础的积累,这样才能培养出物理的直觉。通过阅读Science、Nature等国际学术期刊,并结合重要国际学术会议上相关领域专家的报告,就可大致找到时下学术界所关注的科学问题,“在可行的技术条件下,思考能做什么、怎么做的问题。如果忽视客观条件,则如空中楼阁。如此循环往复的积累,遇到新的问题时,便有应对之策。”
此外,独木不成林,作为一名导师,充分激发团队成员的科研热情,发挥团队的力量不容置喙。王健表示,处于学生身份时,只需要做好自己负责的事情,并且有老师和师兄师长的帮助。但自己成为导师后,要带领一个研究至团队。如何调动起所有学生的科研积极性,分配好任务,共同攻关,就变得更为重要。一个良好的团队可以使个人的能力放大。否则是事倍功半。“组建一支具有国际水平的科研团队非常关键,比较欣慰的是,在北大量子材料中心,我的研究小组(主体为博士研究生和博士后),充满朝气和活力,对于重大课题的研究大家始终坚持不抛弃、不放弃。除了严谨治学外,我提倡多鼓励、少批评的培养方法,充分调动学生的主观能动性。另一方面,也需对自己严格要求,做出成绩,让学生们看到科研的希望,从而‘抱团’在一起,共同前进。”北大物理学院量子材料科学中心按照美国的模式建立,与美国高校一流大学研究中心的体制较为相似,老师们也几乎全部有相近的海外留学背景和研究经历,在彼此讨论的过程中能产生很多思想的火花和研究的灵感。王健博士今年的一些重要成果就建立在与中心老师彼此讨论甚至合作的基础上。比如二维超导中量子Griffiths相变的发现,就是在与中心谢心澄院士、林熙博士、王垡博士等人的讨论和合作基础上完成的。“在良好的科研环境下,合作也可能达到1+1>2的效果。”
北大物理学院量子材料科学中心基本只招本科毕业后就进入博士阶段的学生,这有利于对学生进行系统化的培养。王健团队中除了六名博士研究生,还有一名博士后。在招录博士时,除了基本的专业素养外,他更加看重踏实的品格。“若心思不定,面临科研中的枯燥可能会轻易放弃,所以恒心和毅力非常重要。其次,如果能有较好的物理基础,在物理方面有一些特长和兴趣,则比较适合走研究的道路。”
“科研是会上瘾的,一旦找到其中的魅力,便会越来越投入。枯燥和厌倦发生在长期做一件事情而找不到意思所在,久而久之心态便失衡。科研会存在一些不可预见性,因此我会为学生提供两个以上的方向展开研究,即使一个方向不能出成果,在另一方向上也可能会有所建树,以此保持学生的科研信心。”在漫长的科研历程中,需要科研人员投入相当的精力来保障实验顺利进行。近年来,我国多有白领猝死的新闻爆出,科研人员俨然也成为了过劳的高危人群。对此,王健博士提倡,体育锻炼是排解枯燥和压力的好方法,身心健康是科研工作者最基本的保障,不容忽视。“业内有句话是:诺贝尔奖不会颁给去世的人,所以科研工作者一定要保持身体的健康。”
面对国际前沿增强话语权
——记北京大学量子材料科学中心研究员王健
面对国际前沿增强话语权 “ 在专利申请这件事上,不能太过完美主义。也许我们所申请的专利不一定所有都能被应用,但只要具有应用的可能,就要保护起来,以免日后发展受限制。 ” 北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师、研究员、副教授王健如是说。
刚过而立之年的王健,对待专利申请和知识产权保护,讲究的是未雨绸缪;而对待科研,他则认为是在强烈好奇心的驱使下做出的努力。
知难而上
1997年,王健考入山东大学,随后进入山东大学物理学院物理基地班。 2001年,保送至中国科学院物理研究所,师从中国科学院院士薛其坤教授。 2006 年7月,完成博士论文答辩,随即远赴美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心进行博士后研究,其导师为美国科学院院士、物理系杰出教授 Moses Chan 。 2007年,拿到中科院物理研究所凝聚态物理博士学位。 2010年4月,任美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心副研究员。同年,接受了北京大学量子材料科学中心研究员的职位。
单从这份简单的履历来看,王健的科研生涯似乎足够顺畅。且不说中科院物理研究所在国内的地位,他从事博士后研究的宾夕法尼亚州立大学,其物理系科研实力位列全美前十,尤其纳米技术研究更是在全美享有盛誉。根据 Small Times Magazine 的调查结果,该大学已经第二次在纳米技术研究领域独占鳌头。然而,在一贯强大的科研支持背后,却有着鲜为人知的艰难。 “ 凝聚态物理,其实偏重于材料科学,主要研究材料的物理性质。 ” 王健介绍说, “ 在中科院物理所是硕博连读,一共5 年,第一年不用进实验室,但要学完这几年需要的所有课程。实验过程中,我申请过6项专利,但第一作者的论文不是很好,而对我们来说有影响力的SCI论文又是十分重要的。 ” 从学到做,他坦言压力极大,遇到过不少挫折,但对于未知科学世界的好奇促使他迎难而上,逐渐在纳米体系的超导近邻效应和拓扑绝缘体等量子输运领域做出了开拓性的成果,在国际同龄青年科学工作者中明显处于领先地位。如在拓扑绝缘体的电子输运方面首次定量引入电子一电子相互作用的量子修正;率先在拓扑绝缘体与超导体的相互作用领域取得了实验上的突破;首次在实验上观测到单晶铁磁 ( 钴和镍 ) 纳米线与超导纳米电极间的长程铁磁超导相互作用和在相变点的电阻异常峰,该结果为当前新兴前沿领域铁磁一超导纳米异质结构物性研究中的重大突破,进一步推动了该领域的发展;在实验上研究了单晶金属 ( 金 ) 纳米线中超导长程近邻效应诱导的超导特性,发现了新的窄能隙的超导态和在磁场引发的超导相变过程中的微分磁阻振荡行为;实验发现单晶半金属铋纳米线在低温下 (1 K 左 ) 显示超导特性,并观测到磁场下的量子振荡行为,结果表明在超导温度以下铋纳米线的表面存在奇异的超导一金属共存态;通过实验揭示了形貌对于单晶超导铅薄膜超导电性的影响;系统研究了铅纳米桥结构电输运特性,发现了新奇的超导行为;首次实验上研究了单晶超导铅薄膜与高掺杂硅的界面效应,并观测到巨大磁阻现象;参与改造了 套超高真空分子束外延系统并用其成功实现了 II - VI 族半导体薄膜的生长;作为主要完成人之一设计搭建了一套超高真空分子束外延 - 双探针扫描隧道显微镜。低温强磁场 ( 裂磁 ) 联合系统。
经过多年的锤炼,他已不复当年初出茅庐的青涩。近4年来,他已发表了近20篇高质量 SCI论文,其中第一作者及通讯作者文章10多篇,包括1篇 Nature Physics , 1篇Physical Review Letters 和一篇 Nano Letters 。 2011年,在物理领域最具影响力的美国物理学年会三月会议上,王健应邀做了特邀报告。此外,他不仅多次受邀在其他重要国际会议上作报告,还被聘为 ACSnano( 影响因子: 9.855) 等近十种国际著名SCI 学术期刊审稿人。
走向前沿
2011年9月,王健在国外的工作将收尾,届时,他将在北京大学国际量子材料中心开展纳米尺度的低维量子材料电输运特性研究,具体指向 “ 纳米异质结构中超导和铁磁的相互作用 ” 、 “ 金属半金属纳米线中的超导近邻效应与新奇超导特性 ” 以及 “ 单晶拓扑绝缘体薄膜与纳米线中的量子输运与近邻效应 ” 。
以此为研究方向自然是有原因的。 “ 铁磁,超导纳米结构中的超导铁磁相互作用是当前科学界方兴未艾的重要前沿领域。在常规超导体中,超导温度以下自旋相反的电子会组成库伯对。而在铁磁体中,电子以自旋极化的方式出现。因此,当超导铁磁相互接触的时候,超导体中的库伯对在铁磁体中只能拓展几个纳米的尺度。然而,近来越来越多的实验指出在纳米尺度超导/铁磁异质杂化结构中,在一定条件下超导库伯对能在铁磁体中传播几百纳米到微米量级的尺度,这就是所谓的长程近邻效应。国际上的理论研究认为,这个现象可能与铁磁/超导界面的 P 一波超导配对有关,但相关争论依然是国际研究中的热点。 ” 而王健的前期研究也证明了该方向不仅有助于揭开纳米结构中超导铁磁量子态之间的相互作用机理,从而实现基础研究领域的重大突破,而且为基于电子自旋和超导无耗散的电子器件的研发提供了新的方向。
至于其他两个方向,无一不是国际前沿所关注的焦点。在 “ 金属半金属纳米线中的超导近邻效应与新奇超导特性 ” 领域,王健计划以单晶纳米线一超导电极体系为基础,采用不同的超导电极和不同的金属纳米线,改变对应的各种参数,从而实现一维超导体的人工设计,同时,开展各种超导电极对单晶半金属纳米线的影响和近邻效应的研究,争取在国际上取得相关领域的领导地位。
对 “ 单晶拓扑绝缘体薄膜与纳米线中的量子输运与近邻效应 ” 研究,王健一方面重点探寻拓扑绝缘体与超导体的纳米异质结构中的 Maiorana 费米子及可能的拓扑量子计算,在纳米铁磁拓扑绝缘体异质结构中探索自旋流的特性以及相应的自旋电子学;一方面计划在高质量拓扑绝缘体薄膜以及纳米线上制备超导电极和铁磁电极,期望在最关键的问题上给出最重要的结论和解释,推动拓扑绝缘体尤其是纳米尺度拓扑绝缘体领域的进一步发展。不仅如此,他还计划在 “ 电极与纳米线之间的电接触问题 ” 等关键性问题上取得突破,以期在新的纳米异质体系中发现新的现象和物性。
对于未来的发展,王健的研究计划排得满满的。三到五年,在北大组建国际领先的低温强磁场物性测试实验室、样品制备实验室以及一流的学术团队 ! 五到十年,在纳米尺度的量子材料领域做出国际一流的学术成果 ! 他的自信源于长期以来扎实的学术基础,也源自北京大学对他不遗余力的支持。
“ 北大承诺会配备充足的启动经费和实验室,个人待遇也有相当的保障,这种对人才的支持和尊重,是我回国的重要原因,也是我前进的动力。 ” 王健深知,一个合格的实验物理学家首先要具备充分的动手能力, “ 我希望能够多做一些原创性工作,带来一些科研突破,增强北大以及中国在国际科学界相应领域的话语权。当然,如果能够做出有应用潜力的创新性成果,最好是能申请相应的国内或者国际专利。 ”
《中国发明与专利》 2011年09期
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