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來源： 發布時間：2019-11-15
——記復旦大學物理系教授修發賢
□ 干思思
縱觀人類社會的發展，人類文明的足跡也可看作是一步完整的材料發展史。從石器時代、青銅時代到鐵器時代，不同時期的人類文明都以材料作為其主要標志，材料的發展及其應用就是人類進化的重要里程碑。如果說從農業社會步入工業社會，是由于鋼鐵、水泥、金屬等材料的廣泛應用，那么從工業社會發展到信息社會，就是以半導體硅材料的應用為基礎的。
毋庸置疑，新材料的研制、開發與應用不僅是高新技術發展的推動力，同時也是衡量一個國家科技和經濟水平的重要標志。基于此，當今國際社會將材料、能源和信息技術稱之為新科技革命的三大支柱，而材料則是三大支柱中的基礎。新材料的研發與制備也成為多個國家的關注重點。在美國國防部制定的面向21世紀的國防科技戰略規劃體系中，把材料與制備工藝技術定為4個具有最高優先發展的領域之一；在德國提出的21世紀九大重點領域中，首選就是新材料，其研發的80個課題中有24個課題屬于新材料；在我國的“‘十三五’規劃”綱要中，也已明確地將“重點新材料研發及應用”“大力發展形狀記憶合金、自修復材料等智能材料，石墨烯、超材料等納米功能材料等高端材料”列入中國計劃實施的100個重大工程及項目。
20世紀80年代，隨著納米技術的出現，宏觀物體被細分成超微顆粒（納米級），使其在光學、電學、磁學、力學等方面的性質與大塊固體時相比顯示出許多奇異的特征。諸多納米功能材料的特性為信息技術的發展提供了更多的可能性，有望促使信息技術進入一個嶄新的時代。這一科技前沿領域也成為眾多科研工作者的關注熱點，復旦大學物理系教授修發賢正是該領域的探索者之一。多年來，他深耕于拓撲量子態和新型低維度材料的制備與輸運特性的研究，不斷打破常規，用一項項極具創新性的科研成果助力著中國材料學的發展。
為電子構建綠色通道
實現超高電導率
2019年3月19日，材料領域國際頂級期刊Nature Materials以長文形式在線發表了題為“外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導率”（Ultrahigh conductivity in Weyl semimetal NbAs nanobelts）的論文。論文的通訊作者正是修發賢，課題組在砷化鈮納米帶中觀測到其表面態具有超高電導率，其低電子散射幾率的機制源自外爾半金屬特有的電子結構（即費米弧表面態）。
作為電子工業的基礎，導電材料目前最主要使用的材料是銅，并已大規模地用于制作晶體管的互連導線。隨著信息技術的快速發展，在計算機和智能設備體積日趨縮小的同時，信號傳輸量卻呈現出爆炸式的增長。這就意味著芯片中上千萬根細如發絲的晶體管互連導線的“運送壓力”也隨之加大。然而，當銅逐漸變薄并進入二維尺度時，其原先良好的導電性能會顯著變差。這是因為在納米尺寸的導體中運動的電子會相互撞擊，四處“碰壁”，以致導體發熱，并產生能量損耗。這一特性在一定程度上制約了信息領域的發展。
“手機、電腦發熱的主要原因有兩個，即晶體管本身的發熱和電流流經這些互連導線所產生的導線發熱。我們現在要解決的問題就是導線的發熱。當電流從輸入端進入芯片時，相當于千軍萬馬從大草原一下子上了獨木橋，如果電子在獨木橋上有巨大耗散，芯片運行時就會劇烈發熱，從而影響運行狀態。”采訪中，修發賢形象地解釋道。
有沒有一種辦法能讓大量電子在這些納米級互連導線中順暢高速通行呢？“如果能構建一條‘綠色通道’就好了！”為了實現這個構想，修發賢團隊將外爾半金屬砷化鈮作為研究對象。對于這種材料的研究，以往成果都是建立在肉眼可見的高維度體材料的基礎上，其低維狀態下的物理性質還未有人涉及。
秉持大膽假設、小心求證的科研精神，修發賢團隊吹響了科研攻關的號角。第一關就是納米材料的制備。“鈮的熔點很高，砷的熔點又特別低，要把這兩種材料融在一起非常難。”但辦法總比困難多。他們先是采用高溫加熱法讓兩者融合，但行不通。半年后他們轉換思路，嘗試用氯化鈮和氫氣的化學反應作為鈮的來源，再與砷結合。經過反復實驗、仔細比對，修發賢團隊終于實現了砷化鈮納米結構的生長，完成了零的突破，掀開了砷化鈮低維狀態的神秘面紗。
寬約幾微米，長約幾十微米，厚度在納米級別，在指甲蓋大小的氧化硅襯底上，分布著百萬個比頭發絲還要細的納米晶體。這正是修發賢團隊制備的外爾半金屬材料砷化鈮納米帶。Nature Materials的審稿人對其樣品質量給予了高度評價：“用于制備砷化鈮納米帶的方法是有趣的、創新的，這是拓撲材料領域的一項非常及時的工作。”“他們生長出了一些非常好的樣品。”
好的開始是成功的一半。砷化鈮納米帶的成功制備讓課題組信心倍增，下一步就是觀察和發現該材料的特性，而結果更是讓人倍感欣慰。修發賢課題組運用測量低溫量子震蕩的測試方法發現，其制備出的新材料有著驚人的高導電率，材料本身既具有很高濃度的電子又具備超高的遷移率。高導電率主要得益于外爾半金屬砷化鈮納米帶表面與眾不同的電子結構——具有拓撲保護的表面態（費米弧）。“拓撲保護的表面態的概念可以這樣理解，就像是家里用的瓷碗外表面鍍了一層金，瓷碗本身不導電，但表面這一層金膜導電。更神奇的是，如果存在拓撲保護，這層金膜被磨掉之后，下面就會自動再出現一層金膜，重新形成導電層。這就是一種由物質本身的電子結構決定的拓撲表面態。”修發賢形象地解釋道。
實驗證明，砷化鈮納米帶擁有百倍于銅薄膜和千倍于石墨烯的電導率，是目前二維體系中最好的。同時，區別于超導材料只能在零下幾十攝氏度超低溫下應用，砷化鈮納米帶的高電導機制即使在室溫下仍然有效。這一發現為材料科學尋找高性能導體提供了一個可行思路，在降低電子器件能耗等方面具有重大價值。
鍥而不舍
揭秘三維量子霍爾效應
“欲窮千里目，更上一層樓”，科學探索中亦是如此，每當突破現有極限、打破原有框架時，新的發現總會讓人大開眼界。多年以來，修發賢始終堅信“只有基礎性、原創性的工作才能走得遠，才能讓我們國家在相關領域的科研走在世界前列”。在這一信念的支持下，他不斷取得令世人矚目的創新成果，發現三維量子霍爾效應就是其中之一。2018年12月18日，修發賢課題組的研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應》在英國Nature雜志刊登，這是我國科學家首次在三維空間中發現量子霍爾效應，同時該發現也促使量子霍爾效應的研究邁出了從二維到三維的關鍵一步。當時包括中國中央電視臺在內的各大媒體都爭相報道了這一振奮人心的消息。
1879年，美國物理學家霍爾發現，對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是霍爾效應。霍爾效應在生活中主要應用于速度和加速度的測量和控制上，比如控制電動車行進速度的轉把，汽車速度表和里程表等。
然而，在超低溫和強磁場等極端條件下，電子的偏轉不再像普通霍爾效應中一樣，而是變得更加劇烈并且偏轉半徑變得很小，仿佛是在導體內部圍繞著某點轉圈圈，也可以認為是導體中間的部分電子被“鎖住了”，但仍有一部分電子會沿著導體邊緣，以半圓周運動的方式繼續傳導電流，這就量子霍爾效應。量子霍爾效應作為20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關。但100多年來，科學家們對其的研究一直停留于二維體系。
2016年10月，修發賢及其團隊第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到了量子霍爾效應。“看到這一現象時非常震驚，三維體系里邊怎么會出現量子霍爾效應？”帶著這樣的疑問，修發賢課題組決定打破砂鍋問到底，嘗試去了解三維體系中電子的運動機制。
面對千分之一根頭發絲大小的實驗材料和快如閃電的電子運動速度，該怎么做實驗呢？開始時他們也感到困惑，但來自生活的靈感幫他們解決了這道難題——把三維體系看做是有天花板和地面的房子。“我們把房子放歪了！”修發賢課題組創新性地利用楔形樣品實現了可控的厚度變化。“屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發生變化。”他們通過實驗發現，電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響，即隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為被證明了。
“電子在上表面走一段1/4圈，穿越到下表面，完成另外一個1/4圈后，再穿越回上表面，形成半個閉環，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個回旋運動中仍然是量子化的。”修發賢說，整個軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源，三維量子霍爾效應的奧秘就這樣被揭開了。
成果發表后，美國麻省理工學院教授Joseph Checkelsky發郵件向修發賢致賀，并表示該研究已經激起領域內很多人的興趣。“我很高興我的工作能在科研領域開辟新天地。”修發賢欣慰地說。“我們發現砷化鎘這個材料體系具有非常好的遷移率。這個遷移率我們可以做到10萬，也就是說電子的速度和響應都非常快。將來可以把這個材料推向應用，我們可以在自旋、光電探測方面做一些原型器件，比如說在一些紅外探測、遙感這樣的領域里邊發揮它的作用。”對于未來，修發賢充滿期待。
春種一粒粟
秋收萬顆子
出生于20世紀70年代的修發賢，在回國后的7年中，總能一次次地取得令人眼前一亮的科研成果，并在國際相關領域產生影響同時得到國際同行的肯定與認可，這與他多年來的勤奮與執著密不可分。10多年前修發賢遠渡重洋，美國加州大學洛杉磯分校、加州大學河濱分校、愛荷華州立大學等高校和科研院所都曾留下他的足跡。從碩士研究生開始，直至取得博士學位、完成博士后的研究工作，期間，修發賢從未有過懈怠，他用拼搏進取、刻苦鉆研填充了美好的青春歲月。
2012年年底，學有所成的修發賢加入復旦大學物理學系，開啟了新的征程。2014年，修發賢選擇了拓撲半金屬領域，開始只想“試著研究一下”，沒想到越研究越喜歡，從此“一發不可收拾”。從大塊的體材料，到大片的薄膜，再到納米單晶，修發賢帶著學生們“孜孜不倦”深耕于此，樂此不疲。
物理學系本科生劉然2017年進入修發賢的課題組，在她看來，在科研領域，有兩種類型的探索者，一種是“短跑型”的，一種是“馬拉松型”的，“修老師就是后者，十年如一日”。修發賢每天的生活像表針一樣按部就班，極其規律：6點半起床送孩子上學，8點40分到辦公室，下午4點接孩子放學，6點半回家，7點半再回辦公室，工作到深夜11點。這樣的生活每周6天，周日下午，是他留給家里兩個孩子為數不多的時間。
細節決定成敗，為了充分利用好有限的時間，修發賢總是把工作安排得井井有條。每天一到辦公室，修發賢就會拿出筆記本，將每個時間段要完成的事情一條條地寫下來，用完的本子堆了幾大摞。辦公室一角放了一架攀爬機，臺式機的鍵盤被支架架得很高——修發賢一天在這里呆的時間太長，工作實在忙，只能在辦公室里“做做運動”。
此外，開會間隙改論文、陪孩子上輔導班時讀文獻
來源：科學中國人 2019年9月下
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