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深耕凝聚态物理研究 助力中国材料学的发展——复旦大学物理学系修发贤教授

2021-01-09

 

目前,凝聚态物理学是物理学中相对重要、丰富和活跃的学科,诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就在当代高新科学技术领域中起关键性作用,为发展新材料、新工艺和新器件提供了科学基础。这一科技前沿领域也成为众多科研工作者的关注热点,复旦大学物理学系修发贤教授正是该领域的探索者之一,他主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面,致力于新型量子材料的物性测量以及量子器件的制备与表征,在新型低维原子晶体材料的器件方面,主要研究其电学、磁学和光电特性,并取得系列原创性成果。
 
1 勤奋执着,学成归来
从哈尔滨工业大学学士毕业后,修发贤远渡重洋,到美国加州大学继续求学深造。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,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,修发贤回国加入复旦大学物理学系,开启了新的征程。回国后的8年中,他承担了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和重点项目,参与了国家重点研发计划项目。在研究拓扑半金属量子/自旋输运和基于拓扑材料的光/电器件方面做出了一系列有影响力的原创性成果。至今共发表论文118篇,包括Nature 1篇、Nature Materials 2篇、Nature Nanotechnology 2篇、Nature Communications 9篇。其中10篇论文被Web of Science评为“ESI前1%高被引论文”。
 
2 专心科研,不懈求索
修发贤专注科研,在三维体系中发现三维量子霍尔效应,在二维非超导体系中找到超高电导率材料,在层状准一维超导体中证实量子格里菲斯奇异性,在磁光谱中观测到手性朗道能级等,他通过科研创新助力中国材料学的发展。
2.1 在外尔半金属中发现独特的电磁响应特性
2020年2月,修发贤、晏湖根课题组和南京大学电子科学与工程学院教授施毅课题组利用声子的内建电场与外加静磁场的结合,在外尔半金属中发现独特的电磁响应特性即动态手征反常。晶格震动产生的交流电场与外加磁场同时存在且平行时,可以产生动态轴向的手征磁电流,该电流的积累效应结合体系中强电声耦合,从而对声子产生可观测的影响。这一理论构想由戴希研究员提出。通过声子探测技术,比如拉曼光谱、红外光谱,研究人员确定了零场外尔半金属砷化铌中的声子行为(零场红外光谱由王楠林教授提供支持)。其中有一类声子,在零场下的特殊方向不能被红外光谱探测到。南京大学戴耀明教授曾发现此类声子具有很强的电声相互作用,这使得动态手征反常有机会在这一体系中被观察到。
通过红外磁光谱技术,研究人员观察到随着磁场增加,这一红外不可见的声子逐渐变为红外可见声子,与动态手征反常的预言一致。研究人员进而采用了一系列不同角度、不同构型的实验,用经典的控制变量法判断出磁场产生的声子荷与磁场方向一致,因此只能与沿相同方向偏振的电磁波相互作用。类似的现象在狄拉克半金属砷化镉中也被观察到,并且具有相同的磁场变化趋势。该项研究成果率先在外尔半金属中实现了动态手征反常,为研究这类材料的电磁响应特性和未来应用提供了实验基础。相关研究成果在线发表于Nature Communications,同时被Nature Physics以News and Views的形式专题报道。
2.2 发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应
20世纪以来,量子霍尔效应是凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,但100多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系,从未涉足三维领域。2016年10月,修发贤及其团队率先用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应,但遗憾的是,基于当时的实验结果,实际的电子运动机制并不明确。课题组提出了他们的猜想:一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越,电子做了垂直运动;另一种可能是电子在上下两个表面,即在两个二维体系中,分别独立形成了量子霍尔效应。
2018年,他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化,在该领域实现重大突破,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。他们通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。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。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,其隧穿行为得到证明。
“电子在上表面走一段四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,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。至此,三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。相关研究成果以“Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2”为题在线发表于Nature
2.3 发现二维体系中的超高电导率
2019年,修发贤教授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,这也创造了目前二维体系中的电导率记录,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)。
开展研究的第一关就是纳米材料的制备。课题组打破常规,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,终于实现了砷化铌纳米结构的生长,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。
下一步就是观察和发现该材料的特性,他们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。
砷化铌纳米带的高电导率是否与其表面与众不同的电子结构——具有拓扑保护的表面态(费米弧)有关呢?为了验证这一猜想,修发贤带领课题组运用测量低温量子震荡的测试方法进行研究,证明了来自费米弧表面态的电子贡献了大部分的电导率,与低温霍尔器件的测量方法相比对,可以获取这些电子的浓度和迁移率。修发贤表示,砷化铌中的这种费米弧表面态具备低散射率的特性,即使在较高电子浓度的情况下,体系仍然保持低散射几率。这样就能确保大部分电子都沿一个方向运动,让电子传输的效率大大提高。
和常规的量子现象不同,费米弧这一特性即使在室温仍然有效。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。利用这种特殊的电子结构,可以在提高电子数量的同时,降低电子散射,从而实现优异的导电特性,在降低电子器件能耗等方面有潜在应用。
2.4 率先在磁光谱中观测到手性朗道能级
2018年,修发贤教授课题组利用强磁场红外光谱,同时结合磁场输运、光谱学、能带计算和其他样品表征手段,对外尔半金属砷化铌开展了系统而深入的研究,在外尔半金属砷化铌中探测到手性朗道能级。磁光谱的实验手段和高质量的砷化铌晶体为观察外尔半金属朗道能级提供了可能。
研究结果表明,该体系中存在一种朗道能级,它与所有已知的朗道能级所导致的光学特征完全不同。在拓扑半金属中所找到的朗道能级共同点是光学跃迁发生在零动量点,因此,跃迁频率只与朗道能级在零动量的间隔相关。然而,在外尔半金属砷化铌中,光谱上的共振特征显示,光学跃迁来自于非零动量处,并且跃迁频率随费米面的不同也表现出强烈的变化。
课题组描绘了寻找已久的手性朗道能级。由于外尔半金属的手性朗道能级在磁场方向是线性色散的,光学跃迁有可能发生在非零动量处。此时,对应的跃迁频率也将明显受到费米面的影响。对于已进入和未进入量子极限的两个外尔点,允许的光学跃迁数目将完全不同。磁光谱中的诸多证据都清楚地证明了砷化铌中存在着独特的手性朗道能级。
这一结果为外尔半金属中的手性磁效应提供了坚实的基础,也为区分手性磁效应和其他非本征效应提供了有力的判断依据。手性能级的发现展现了外尔半金属对外场的特殊响应,更重要的是显示了外尔半金属的新奇光物质相互作用,这将在光学方面有广泛的应用,也进一步拓展了外尔半金属的器件应用前景。
“追求卓越必须要付出”,在修发贤眼中,努力理所应当。他多年辛勤付出的汗水与智慧,如今已结下了累累硕果。漫漫科研路上,他将继续在凝聚态物理领域探索,为中国材料学的发展贡献科研力量。