遨游神奇的材料世界

遲艷艷

集成電路的發明，引爆了智能電子產品的潮流;巨磁阻材料的發現，促使了計算機的高速發展;藍光LED的出現，開辟了照明的新紀元……循著2000年、2007年、2014年諾貝爾物理學獎的脈絡，我們不能忽視的是，材料學科的每一次進步，推動著科技時代的進程。

近十幾年，先進材料研究成果密集涌現，有人斷言21世紀將是材料革命的時代。石墨烯是當前最神奇的材料之一，是最薄、最堅韌的納米材料，具有很多特殊的物理性質，一旦能實現應用，將帶來一場深刻的工業革命，極大地改變人們的生活。因此，石墨烯是當今世界最熱門的研究熱點之一，各國政府都投入巨大的人力物力從事相關研究，比如2013年歐盟石墨烯旗艦項目為此列支了10億歐元的巨額經費。其中兩個重要的研究方向就是基于石墨烯的磁性材料和拓撲絕緣性材料。

“80后”科研工作者胡軍在材料領域樂此不疲，在磁性納米結構的磁各向異性，金屬多層膜、金屬/鈣鈦礦氧化物界面的磁性調控，拓撲絕緣體的帶隙及邊緣態的理論設計中取得了一系列原創性成果，以拼搏向上的青年學者姿態奔跑在該領域的前沿。

探索磁性材料的奧秘

磁性材料是一種古老而用途十分廣泛的功能材料，與信息化、自動化、機電一體化、國防、國民經濟等方方面面緊密相關。2009年，胡軍漂洋過海來到美國加州大學爾灣分校，師從磁性材料研究領域的國際知名專家，就此與磁性材料結緣。到現在，胡軍已在磁性材料方面取得了一系列原創性的研究成果。

有機分子磁體，特別是鐵酞菁分子（FePc）是自旋電子學領域中的熱門研究對象，實驗發現，當FePc分子被放置在Cu（110）襯底上時其自旋取向發生翻轉，但其機理尚不清楚。對此，胡軍展開了深入系統的研究，解釋了這一現象。其研究發現，FePc分子與襯底間的電荷轉移導致自旋取向翻轉，并發現其磁電效應非常顯著。胡軍預測，通過外加電場調節電荷轉移，可以操控FePc分子的自旋取向，這一性質在自旋電子器件中具有極大的應用前景。這項工作是關于有機磁性分子中磁電效應的開創性研究，為磁性分子的實驗和應用研究提供了理論依據，發表于物理評論快報（Phys. Rev. Lett.），被多個一流學術雜志引用，得到了同行的廣泛認同和肯定。

除此之外，胡軍還研究了過渡金屬雙原子分子的磁各向異性。為提高磁記錄器件的單位存儲密度，人們一直在尋找合適的磁性納米結構做磁記錄單元，而最小的磁性納米結構是過渡金屬雙原子分子。胡軍介紹說：“過渡金屬雙原子分子的應用前提有兩個，一是有合適的襯底材料支撐以便做成器件，二是有較大的磁各向異性能（大于30meV）以保證自旋取向在室溫以上穩定。盡管早前有研究小組發現某些孤立的過渡金屬雙原子分子具有巨磁各向異性，但絕大多數襯底材料都將大大減弱其磁各向異性，甚至破壞分子結構，為應用設計帶來極大困難。”

針對這一問題，胡軍提出利用石墨烯空位缺陷給過渡金屬雙原子分子提供支撐的方案，經過大量搜索，發現了兩種過渡金屬雙原子分子和石墨烯的組合既具有巨磁晶各向異性能（60meV以上），又保持分子結構穩定，有潛力成為目前為止最小的磁記錄單元。這項研究是將過渡金屬雙原子分子的自旋取向穩定性和結構穩定性結合在一起的開創性研究，為新奇磁性納米結構做出了有意義的預測。

拓撲絕緣態領域的尖兵

拓撲絕緣態是近幾年發現的一種全新的材料特性，在凝聚態物理學和材料科學各領域引起了極大關注。拓撲絕緣體的內部是絕緣態（帶隙10-3 10-1eV），而在邊界上因為相對論效應（即自旋軌道耦合效應）會形成量子化和無耗散的電流，在未來的量子器件如量子計算機中，有極大的應用前景。盡管石墨烯是最早被預測的拓撲絕緣體，但其自旋軌道耦合效應太弱（導致拓撲絕緣帶隙太小10-6eV），無法在現有的實驗條件下觀測到拓撲絕緣態。但胡軍深知，石墨烯作為最獨特的單原子層二維材料，在下一代電子器件、自旋電子器件、太陽能電池等眾多領域有廣泛的應用前景，因此提高其拓撲絕緣帶隙有重要的價值。以這樣的理念為基礎，胡軍做了大量工作，提出了在石墨烯上沉積重金屬原子以增強自旋軌道耦合效應的方案，預測了一系列具有應用前景的拓撲絕緣態，發表了數篇具有影響力論文。

一方面，胡軍預測在石墨烯上沉積三族元素鉈（Tl），不破壞石墨烯的狄拉克錐，但Tl的p軌道的強自旋軌道耦合效應傳遞給了石墨烯π電子，在石墨烯的狄拉克錐處產生高達21meV的拓撲絕緣帶隙，比石墨烯自身的帶隙提高了三個數量級，該拓撲絕緣態可以存在于200K左右，大大提高了實驗研究的可行性。

另一方面，胡軍研究了5d軌道與石墨烯狄拉克態的雜化帶中的拓撲絕緣態。研究表明，在石墨烯上沉積重過渡金屬原子鋨（Os），其5d軌道與石墨烯的π軌道強烈雜化，生成一系列新的能帶。其中一些能帶具有拓撲絕緣態性質，拓撲絕緣帶隙高達270meV，遠高于室溫對應的帶隙，而且此拓撲絕緣帶隙受Os原子的覆蓋度影響較小，當覆蓋度為2%?6%時，拓撲絕緣帶隙變化不到10%（250meV?270meV），具有較強的抗干擾性。

這兩項工作在研究石墨烯中拓撲絕緣態的領域具有開創性，分別發表于物理評論X（Phys. Rev. X）和Phys. Rev. Lett.，并引發了大量后續工作，并被Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等頂級期刊多次引用。例如，著名物理學家A.H. MacDonald與合作者在其多篇論文中引用胡軍的這兩項工作;A.H. Castro Neto與合作者則評價胡軍的工作為增強石墨烯的自旋軌道耦合效應開啟了新途徑，并在實驗中把銅原子沉積到石墨烯上實現了這種增強效應;而N. Nagaosa與合作者認為胡軍預測的二維拓撲絕緣體相對于量子阱二維拓撲絕緣體更簡單，并展開了后續工作。近三年來，胡軍發表于Phys.Rev.X的文章在Web of Science檢索總引用次數超過150次，且在該期刊所有論文中總引用數一直保持排名第一。

另外，新型拓撲態Chern半金屬也是胡軍取得的突破性成果。普遍的觀點認為，量子反常霍爾效應只存在于磁性拓撲絕緣體中，然而胡軍提出半金屬態也可能導致量子反常霍爾效應，即一個自旋通道具有拓撲絕緣性（貢獻量子反常霍爾效應），而另一個自旋通道為普通金屬（與量子反常霍爾效應無關）。胡軍稱這種新的拓撲態為Chern半金屬。通過一系列理論模型的反復論證，胡軍證明沉積有鈷（Co）或銠（Rh）的石墨烯為Chern半金屬。Co和Rh沉積石墨烯上具有很強的垂直自旋取向，滿足了實現量子反常霍爾效應的自然條件。就這樣，胡軍提出了Chern半金屬的概念，把拓撲材料從絕緣體推廣到了半金屬。

如今，作為老師的胡軍常常告訴學生，基礎研究是根本，要善于將一些不成熟的想法建立成具體的理論模型，然后用實驗手段來驗證想法，只有基礎理論做好了，才能給實際應出指明方向。這也是他一路走來的切身感受，他也在言傳身教地傳承下去。

“在遇到問題的時候，學生要學會解決問題，并且在不斷發現和解決問題的循環中提高自己。這是一個循序漸進的過程。”對未知世界充滿認識的渴望，對能力積累懷抱無限的耐心，這是胡軍堅持告訴學生的真理。endprint