探索電子自旋新命題
——記中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員王興軍

本刊記者 閆冬雪

探索電子自旋新命題
——記中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員王興軍

本刊記者 閆冬雪

當(dāng)微觀世界中結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律被納入量子力學(xué)的范疇時，科學(xué)家們才更加深切地意識到，來自微觀世界的分子、原子，甚至是電子，居然能爆發(fā)于如此巨大的能量，于是有關(guān)原子、電子之類微小物質(zhì)的特性被代代科學(xué)家們一一揭開。

1995年畢業(yè)于上海交通大學(xué)物理系的王興軍，在學(xué)習(xí)過程中越來越察覺物理學(xué)除了虛擬的概念理論之外，還需要轉(zhuǎn)化為能夠推動社會發(fā)展的產(chǎn)品。他在入讀復(fù)旦大學(xué)物理系后，迅速走進(jìn)更貼近社會發(fā)展需求的材料物理學(xué)研究領(lǐng)域。

無論是前期的基礎(chǔ)理論物理，還是后來的材料物理學(xué)，無論是電子間的相互碰撞研究，還是探索電子自旋特性，在科研的實用性與社會發(fā)展的需求之間，他都在努力尋求平衡，并在此過程中，踏踏實實、一絲不茍地實踐著、工作著。

“科研是為社會發(fā)展而服務(wù)的”

當(dāng)19世紀(jì)末的物理學(xué)界，出現(xiàn)一些經(jīng)典物理無法解釋的現(xiàn)象時，量子力學(xué)誕生。與相對論構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大柱石，支撐起了今后物理學(xué)家們的研究軸心。也正是認(rèn)識到這一點，王興軍毅然選擇了材料物理，選擇了量子力學(xué)。

“科學(xué)要發(fā)展，那就應(yīng)該不斷有新的東西出現(xiàn)”，而材料物理學(xué)的研究內(nèi)容恰恰能夠給到他這種“新的東西”。

2000年初，復(fù)旦大學(xué)博士畢業(yè)的王興軍憑借優(yōu)異的成績，留校任教。3年的教學(xué)生涯，助推著他不斷前行。為開拓更寬闊的視野，他選擇了日本東北大學(xué)金屬研究所做博士后研究，隸屬櫻井研究室。之后于次年飛往歐洲，來到瑞典林雪平大學(xué)材料物理系，4年的青春時光又獻(xiàn)給了摯愛的材料物理世界。幾年的留學(xué)經(jīng)歷，讓他與微觀世界的物質(zhì)們“親密對話”的資本更強了，也讓他對這份“工作”更加虔誠與敬畏。

電子行業(yè)的快速發(fā)展，電腦、電視機、LED設(shè)備等現(xiàn)代化器械的多樣化應(yīng)用，催生著國內(nèi)半導(dǎo)體電子市場的蓬勃發(fā)展。加之，國家對海外人才的高度重視、國內(nèi)日益提升的實驗設(shè)備、熟悉的社會生活環(huán)境，王興軍于2010年選擇回國。

回到中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室的他，跟隨國家對物理學(xué)領(lǐng)域的戰(zhàn)略性要求，一邊繼續(xù)從事半導(dǎo)體電子材料物理研究，一邊結(jié)合實驗室發(fā)展需求，融入紅外理論。

隨著大規(guī)模集成電路的逐步應(yīng)用，電子間的相互作用被要求更快更強，釋放出更多的能量，才能夠滿足社會發(fā)展需求。但試想，在一個固定的空間里面，若對電子間的“碰撞”一味地加速度，那么速度的臨界點在哪里？王興軍決定利用電子的自旋特性挑戰(zhàn)一下自旋電子學(xué)的實際應(yīng)用。

室溫下電子自旋半導(dǎo)體的創(chuàng)建

2013年，王興軍所在團(tuán)隊與國外合作，發(fā)現(xiàn)通過利用非磁性半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子的自旋來控制離子核自旋這一理論框架，可以實現(xiàn)在室溫條件下對核自旋的控制，這為未來在室溫條件下的量子計算機和核磁共振成像應(yīng)用開辟了新的道路，在《Nature Communication》上一經(jīng)發(fā)表，短時間內(nèi)引起行業(yè)同仁的極大關(guān)注。看來，利用電子的自旋特性制作下一代的更優(yōu)異性能的光電器件已成為大勢所趨。

那么，電子自旋產(chǎn)生的巨大能量，需要控制哪些外界條件來充分地運用這些能量呢？

為了更深入地研究半導(dǎo)體材料中電子自旋的特性與運行條件，王興軍申請了國家自然科學(xué)基金項目——《基于GaNAs體系缺陷調(diào)控的新型自旋過濾器的物理特性研究》，試圖通過光學(xué)取向、光探測磁共振和光探測電核雙共振等實驗手段，把GaNAs材料中的自旋依賴復(fù)合缺陷的結(jié)構(gòu)和物理特性進(jìn)一步拓展開來，為自旋電子學(xué)器件的優(yōu)化提供理論支持。

GaNAs材料是把氮（N）引入非磁性材料砷化鎵（GaAs）中產(chǎn)生的新型半導(dǎo)體材料。但在實驗中顯示，氮組成分的日益增多，材料的非輻射復(fù)合中心缺陷態(tài)越明顯，連帶著復(fù)合化合物材料的光學(xué)性能變差。電子自旋的方向可分向上、向下，那么通過如何控制電子的自旋方向來解決GaNAs材料的缺陷呢？

王興軍在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，早在2005年就有科學(xué)家指出室溫下GaNAs材料的缺陷可以作為自旋過濾器來控制電子自旋。電子自旋的速度、方向、壽命等都與所爆發(fā)出的能量息息相關(guān)，能量的采集應(yīng)用就與人類的實際生活、社會的發(fā)展緊密相連。自旋過濾器在電子自旋的過程中頗為關(guān)鍵，認(rèn)識到這一點后，他不免對如何實現(xiàn)自旋過濾器產(chǎn)生了新的想法。

目前，鐵磁半導(dǎo)體、稀磁半導(dǎo)體、碳納米管、量子點等諸多方法都可以營造自旋過濾器來控制電子自旋。但“這些自旋過濾器效率很低且主要依賴于低溫和強磁場下的工作環(huán)境，而且鐵磁層也會影響其它電子器件的工作性能”，基于此，他在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)氮與非磁性材料砷化鎵相結(jié)合可以提高自旋過濾器的有效性。

事物存在多面性。這種自旋過濾器的引用又讓王興軍陷入新一輪的思索：這種自旋過濾器在運行過程中，有無依賴性？

多項實驗表明，他的思考是有效的。這種自旋過濾器是由氮在引入砷化鎵后產(chǎn)生的缺陷態(tài)來控制電子自旋，那捕獲截面的大小就成為控制電子自旋速度的關(guān)鍵。溫度高，則捕獲截面大，在以往低溫狀態(tài)下，活躍性反倒降低。

因此，在室溫條件下，這種非磁性半導(dǎo)體自旋過濾器也可以工作，并且不需要外加磁場且易于其它電子器件相結(jié)合。這使得自旋LED、自旋晶體管和自旋半導(dǎo)體激光器的制造成為可能，將會帶來電子世界的新一輪革新。

在接下來的實驗過程中，王興軍表示將進(jìn)行深入的縱向剖析研究，把氮在此缺陷中的位置搞清楚，另外采用連續(xù)光來判定測量缺陷的能級位置。這些問題的解決有利于非磁性半導(dǎo)體自旋過濾器的量化生產(chǎn)與應(yīng)用，直接促進(jìn)電子世界的快速發(fā)展，大大助益于人類社會文明。

踏實做科研 認(rèn)真育人才

回國第二年，憑借優(yōu)異的科研成績與勤奮踏實的科研態(tài)度，王興軍入選中科院“百人計劃”。最近這幾年，他申請主持國家自然科學(xué)基金、科技部“973”重大項目專項課題、院三期創(chuàng)新項目、浦江人才計劃項目及多項國家和省部級課題，一步一個腳印地跟隨國家社會的發(fā)展需求，把自己的多年研究經(jīng)驗與國家空電探測的迫切需求結(jié)合起來，搭建了一個針對紅外半導(dǎo)體材料缺陷及其光電特性的研究平臺，為更多的科研工作者提供了一個信息共享的“園地”。

“我在日本東北大學(xué)時，導(dǎo)師告訴我們要work hard, work smartly”，王興軍講道，后來到了瑞典做研究后，自由、開放的工作氛圍又讓他感受到另一種科研態(tài)度，那就是要“信息共享、合作共贏”。

同時他也把這兩種不同的科研觀滲入到日常的教學(xué)過程當(dāng)中，鼓勵學(xué)生要踏實努力的同時，也要勇于試錯，敢于交流。思維只有通過多次的碰撞，才能產(chǎn)生不一樣的火花。“可能最終的實驗結(jié)果會和最初的實驗設(shè)想有偏差，可能一些材料本沒什么新意，但在具體的實驗過程中也會有意想不到的發(fā)現(xiàn)，科研就是探索的過程”，他認(rèn)為敢于嘗試非常重要。

十余年的科研經(jīng)歷，眾多的科研成果與榮譽，是在把困難“碾碎”之后才取得的。面對意料之外的壓力與挑戰(zhàn)，王興軍的解壓方式很簡單，那就是出去打打籃球、運動運動，告訴自己“明天又是新的一天”，讓身體和心靈得到雙重調(diào)節(jié)后，再投入到日常的科研與教學(xué)過程中。

電子科技的發(fā)展讓我們快速步入到一個未曾想到過的快捷、舒適的世界，與電子材料、器件相關(guān)的工具是支撐這個世界快速“奔跑”的基石。在這個世界的“幕后”，有許多像王興軍這樣默默地與“基石”打交道的科研工作者，他們用智慧與努力為科技的發(fā)展不斷鋪路。記者堅信，他們會創(chuàng)造出更多的精彩。