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修发贤——复旦大学物理系教授

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有效期至: 长期有效
最后更新: 2019-12-13
基本资料信息
 
  
  换维度看世界 发现更多精彩
来源:  发布时间:2019-11-15
 
——记复旦大学物理系教授修发贤
  
□ 干思思
 
  
  
  纵观人类社会的发展,人类文明的足迹也可看作是一步完整的材料发展史。从石器时代、青铜时代到铁器时代,不同时期的人类文明都以材料作为其主要标志,材料的发展及其应用就是人类进化的重要里程碑。如果说从农业社会步入工业社会,是由于钢铁、水泥、金属等材料的广泛应用,那么从工业社会发展到信息社会,就是以半导体硅材料的应用为基础的。
  毋庸置疑,新材料的研制、开发与应用不仅是高新技术发展的推动力,同时也是衡量一个国家科技和经济水平的重要标志。基于此,当今国际社会将材料、能源和信息技术称之为新科技革命的三大支柱,而材料则是三大支柱中的基础。新材料的研发与制备也成为多个国家的关注重点。在美国国防部制定的面向21世纪的国防科技战略规划体系中,把材料与制备工艺技术定为4个具有最高优先发展的领域之一;在德国提出的21世纪九大重点领域中,首选就是新材料,其研发的80个课题中有24个课题属于新材料;在我国的“‘十三五’规划”纲要中,也已明确地将“重点新材料研发及应用”“大力发展形状记忆合金、自修复材料等智能材料,石墨烯、超材料等纳米功能材料等高端材料”列入中国计划实施的100个重大工程及项目。
  20世纪80年代,随着纳米技术的出现,宏观物体被细分成超微颗粒(纳米级),使其在光学、电学、磁学、力学等方面的性质与大块固体时相比显示出许多奇异的特征。诸多纳米功能材料的特性为信息技术的发展提供了更多的可能性,有望促使信息技术进入一个崭新的时代。这一科技前沿领域也成为众多科研工作者的关注热点,复旦大学物理系教授修发贤正是该领域的探索者之一。多年来,他深耕于拓扑量子态和新型低维度材料的制备与输运特性的研究,不断打破常规,用一项项极具创新性的科研成果助力着中国材料学的发展。
  
为电子构建绿色通道
实现超高电导率
  
  2019年3月19日,材料领域国际顶级期刊Nature Materials以长文形式在线发表了题为“外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率”(Ultrahigh conductivity in Weyl semimetal NbAs nanobelts)的论文。论文的通讯作者正是修发贤,课题组在砷化铌纳米带中观测到其表面态具有超高电导率,其低电子散射几率的机制源自外尔半金属特有的电子结构(即费米弧表面态)。
  作为电子工业的基础,导电材料目前最主要使用的材料是铜,并已大规模地用于制作晶体管的互连导线。随着信息技术的快速发展,在计算机和智能设备体积日趋缩小的同时,信号传输量却呈现出爆炸式的增长。这就意味着芯片中上千万根细如发丝的晶体管互连导线的“运送压力”也随之加大。然而,当铜逐渐变薄并进入二维尺度时,其原先良好的导电性能会显著变差。这是因为在纳米尺寸的导体中运动的电子会相互撞击,四处“碰壁”,以致导体发热,并产生能量损耗。这一特性在一定程度上制约了信息领域的发展。
  “手机、电脑发热的主要原因有两个,即晶体管本身的发热和电流流经这些互连导线所产生的导线发热。我们现在要解决的问题就是导线的发热。当电流从输入端进入芯片时,相当于千军万马从大草原一下子上了独木桥,如果电子在独木桥上有巨大耗散,芯片运行时就会剧烈发热,从而影响运行状态。”采访中,修发贤形象地解释道。
  有没有一种办法能让大量电子在这些纳米级互连导线中顺畅高速通行呢?“如果能构建一条‘绿色通道’就好了!”为了实现这个构想,修发贤团队将外尔半金属砷化铌作为研究对象。对于这种材料的研究,以往成果都是建立在肉眼可见的高维度体材料的基础上,其低维状态下的物理性质还未有人涉及。
  秉持大胆假设、小心求证的科研精神,修发贤团队吹响了科研攻关的号角。第一关就是纳米材料的制备。“铌的熔点很高,砷的熔点又特别低,要把这两种材料融在一起非常难。”但办法总比困难多。他们先是采用高温加热法让两者融合,但行不通。半年后他们转换思路,尝试用氯化铌和氢气的化学反应作为铌的来源,再与砷结合。经过反复实验、仔细比对,修发贤团队终于实现了砷化铌纳米结构的生长,完成了零的突破,掀开了砷化铌低维状态的神秘面纱。
  宽约几微米,长约几十微米,厚度在纳米级别,在指甲盖大小的氧化硅衬底上,分布着百万个比头发丝还要细的纳米晶体。这正是修发贤团队制备的外尔半金属材料砷化铌纳米带。Nature Materials的审稿人对其样品质量给予了高度评价:“用于制备砷化铌纳米带的方法是有趣的、创新的,这是拓扑材料领域的一项非常及时的工作。”“他们生长出了一些非常好的样品。”
  好的开始是成功的一半。砷化铌纳米带的成功制备让课题组信心倍增,下一步就是观察和发现该材料的特性,而结果更是让人倍感欣慰。修发贤课题组运用测量低温量子震荡的测试方法发现,其制备出的新材料有着惊人的高导电率,材料本身既具有很高浓度的电子又具备超高的迁移率。高导电率主要得益于外尔半金属砷化铌纳米带表面与众不同的电子结构——具有拓扑保护的表面态(费米弧)。“拓扑保护的表面态的概念可以这样理解,就像是家里用的瓷碗外表面镀了一层金,瓷碗本身不导电,但表面这一层金膜导电。更神奇的是,如果存在拓扑保护,这层金膜被磨掉之后,下面就会自动再出现一层金膜,重新形成导电层。这就是一种由物质本身的电子结构决定的拓扑表面态。”修发贤形象地解释道。
  实验证明,砷化铌纳米带拥有百倍于铜薄膜和千倍于石墨烯的电导率,是目前二维体系中最好的。同时,区别于超导材料只能在零下几十摄氏度超低温下应用,砷化铌纳米带的高电导机制即使在室温下仍然有效。这一发现为材料科学寻找高性能导体提供了一个可行思路,在降低电子器件能耗等方面具有重大价值。
  
锲而不舍  
揭秘三维量子霍尔效应
  
  “欲穷千里目,更上一层楼”,科学探索中亦是如此,每当突破现有极限、打破原有框架时,新的发现总会让人大开眼界。多年以来,修发贤始终坚信“只有基础性、原创性的工作才能走得远,才能让我们国家在相关领域的科研走在世界前列”。在这一信念的支持下,他不断取得令世人瞩目的创新成果,发现三维量子霍尔效应就是其中之一。2018年12月18日,修发贤课题组的研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》在英国Nature杂志刊登,这是我国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应,同时该发现也促使量子霍尔效应的研究迈出了从二维到三维的关键一步。当时包括中国中央电视台在内的各大媒体都争相报道了这一振奋人心的消息。
  1879年,美国物理学家霍尔发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是霍尔效应。霍尔效应在生活中主要应用于速度和加速度的测量和控制上,比如控制电动车行进速度的转把,汽车速度表和里程表等。
  然而,在超低温和强磁场等极端条件下,电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样,而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛是在导体内部围绕着某点转圈圈,也可以认为是导体中间的部分电子被“锁住了”,但仍有一部分电子会沿着导体边缘,以半圆周运动的方式继续传导电流,这就量子霍尔效应。量子霍尔效应作为20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来,科学家们对其的研究一直停留于二维体系。
  2016年10月,修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到了量子霍尔效应。“看到这一现象时非常震惊,三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应?”带着这样的疑问,修发贤课题组决定打破砂锅问到底,尝试去了解三维体系中电子的运动机制。
  面对千分之一根头发丝大小的实验材料和快如闪电的电子运动速度,该怎么做实验呢?开始时他们也感到困惑,但来自生活的灵感帮他们解决了这道难题——把三维体系看做是有天花板和地面的房子。“我们把房子放歪了!”修发贤课题组创新性地利用楔形样品实现了可控的厚度变化。“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化。”他们通过实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响,即随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。
  “电子在上表面走一段1/4圈,穿越到下表面,完成另外一个1/4圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为也是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说,整个轨道就是三维的“外尔轨道”,是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源,三维量子霍尔效应的奥秘就这样被揭开了。
  成果发表后,美国麻省理工学院教授Joseph Checkelsky发邮件向修发贤致贺,并表示该研究已经激起领域内很多人的兴趣。“我很高兴我的工作能在科研领域开辟新天地。”修发贤欣慰地说。“我们发现砷化镉这个材料体系具有非常好的迁移率。这个迁移率我们可以做到10万,也就是说电子的速度和响应都非常快。将来可以把这个材料推向应用,我们可以在自旋、光电探测方面做一些原型器件,比如说在一些红外探测、遥感这样的领域里边发挥它的作用。”对于未来,修发贤充满期待。
  
春种一粒粟
秋收万颗子
  
  出生于20世纪70年代的修发贤,在回国后的7年中,总能一次次地取得令人眼前一亮的科研成果,并在国际相关领域产生影响同时得到国际同行的肯定与认可,这与他多年来的勤奋与执着密不可分。10多年前修发贤远渡重洋,美国加州大学洛杉矶分校、加州大学河滨分校、爱荷华州立大学等高校和科研院所都曾留下他的足迹。从硕士研究生开始,直至取得博士学位、完成博士后的研究工作,期间,修发贤从未有过懈怠,他用拼搏进取、刻苦钻研填充了美好的青春岁月。
  2012年年底,学有所成的修发贤加入复旦大学物理学系,开启了新的征程。2014年,修发贤选择了拓扑半金属领域,开始只想“试着研究一下”,没想到越研究越喜欢,从此“一发不可收拾”。从大块的体材料,到大片的薄膜,再到纳米单晶,修发贤带着学生们“孜孜不倦”深耕于此,乐此不疲。
  物理学系本科生刘然2017年进入修发贤的课题组,在她看来,在科研领域,有两种类型的探索者,一种是“短跑型”的,一种是“马拉松型”的,“修老师就是后者,十年如一日”。修发贤每天的生活像表针一样按部就班,极其规律:6点半起床送孩子上学,8点40分到办公室,下午4点接孩子放学,6点半回家,7点半再回办公室,工作到深夜11点。这样的生活每周6天,周日下午,是他留给家里两个孩子为数不多的时间。
  细节决定成败,为了充分利用好有限的时间,修发贤总是把工作安排得井井有条。每天一到办公室,修发贤就会拿出笔记本,将每个时间段要完成的事情一条条地写下来,用完的本子堆了几大摞。办公室一角放了一架攀爬机,台式机的键盘被支架架得很高——修发贤一天在这里呆的时间太长,工作实在忙,只能在办公室里“做做运动”。
  此外,开会间隙改论文、陪孩子上辅导班时读文献

来源:科学中国人  2019年9月下
 
 
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