姚裕貴：尋找性能更優的量子材料

基礎研究出成果慢且有很強的不確定性，可一旦有成果，就可能產生顛覆性影響。做基礎研究需有甘坐“冷板凳”的精神，要持之以恒。

——姚裕貴 北京理工大學教授

如何發現和設計性能優異的量子材料？這是北京理工大學教授、物理學院院長姚裕貴鉆研了20多年的問題，但他卻說“直到今天也才略懂皮毛”。

走進這位凝聚態物理“老兵”的辦公室，向里望去，這間辦公室最吸引記者的地方是鋪滿一面墻的書柜。除此以外，辦公室只有兩張吊椅、一張用實驗桌改造成的辦公桌椅。“有時在辦公室工作到晚上，就睡在吊椅上。”姚裕貴說。

他在這間辦公室，樂此不疲地研究著外人看起來枯燥乏味的量子材料。

5月12日，物理學學術期刊《物理評論快報》刊發了姚裕貴團隊與外國合作者的研究成果，該研究通過實驗觀測到了鍺烯中的量子自旋霍爾態及拓撲相變，證實了他們10多年前的理論預言，為未來設計基于拓撲量子材料的低能耗電子器件提供了可能性。該文被選為該期期刊的封面文章并被編輯推薦。同月，姚裕貴被授予北京“最美科技工作者”稱號。

新型材料“預言家”“設計師”

如果說物理學是“科學王冠上的明珠”，那么凝聚態物理無疑是物理學這顆明珠上璀璨的一束光。

“凝聚態物理的研究范圍十分廣泛。通俗地說，它研究的是構成凝聚態物質中的電子、離子、原子、分子的運動形態和規律。”姚裕貴說，他既研究常見的物質，如平常的半導體材料，也研究不常見的物質，如新型的拓撲量子材料，這些都在他的研究范圍內。

姚裕貴通過計算和理論研究的方式研究凝聚態物理。他會從微觀原子尺度出發，根據材料的元素構成和原子結構預測其性質、解釋其內在的物理機制；或者通過計算機計算的方式不斷優化這些材料的功能，使之在更低成本的條件下發揮功能。

“比如，量子計算機需要在極低溫、強磁場等苛刻條件下才能運行。如果我們將拓撲材料和超導材料結合運用到量子計算機的制造過程中，它就可能在更高的溫度下工作，降低使用成本。我們的工作，就是要證明這種材料在制造上的可行性，為其大規模制造開辟道路。”姚裕貴說。

但鮮為人知的是，被業界稱為新型材料“預言家”“設計師”的姚裕貴，在上大學前，竟連研究工具——計算機都沒見過。

高中畢業后，姚裕貴出于熱愛報考了物理專業。“讀大學時，正值計算機在中國普及，我出身農村，上大學前沒見過計算機。看到它后，我立刻萌生了自學計算機的念頭。”他回憶道。

就這樣，他一邊學物理，一邊自學計算機。在經歷了“沒有什么挫折”的本科和碩士階段后，他如愿讀了博士，將力學作為自己的主攻方向。

然而，在博士一年級時，本想著能順利拿下博士學位的姚裕貴，卻遇到了難題：他的導師由于種種原因不能繼續帶他，他不得不更換研究方向。

在博士階段更換方向，意味著一切要從零開始。“這就好比你已經快爬上一座山的山頂，卻又不得不下山，再去攀登另一座高山。當時，我壓力很大。”姚裕貴坦言，“當時，我有的同學已經出了很多成果，但我那時還沒有任何成果，甚至連方向都沒確定。”

怎么辦？姚裕貴用兩個字給出了答案：“刻苦”。“我當時沒想那么多，只想著不能在攻讀博士學位的路上半途而廢。”他說，“我將所有精力都投入到了學習上，幾乎廢寢忘食，總算趕上了同學們的進度。”

尋找低能耗導電材料

如何研發出低能耗、體積小的電子器件，一直以來都是困擾半導體和信息產業發展的難題。一些科學家希望通過優化芯片架構等方式實現這個目標，還有一些科學家給出了一條截然不同的道路：用性能更優異的材料制造芯片。姚裕貴從事的工作之一，便是尋找這種材料。

要尋找這種材料，首先要對低功耗量子效應的物理原型有更加深刻的認識。反常霍爾效應是磁性材料中最基本的輸運現象之一，它不僅是諸多低功耗量子效應的物理原型，也是拓撲量子物態的重要基石。然而，在20余年前，凝聚態物理學界只知道反?；魻栃膸追N機制，卻并不清楚哪種機制占主導地位，更沒人從定量的角度寫程序去計算，“因為它太復雜了”。

姚裕貴下決心要啃這塊“硬骨頭”。他注意到計算機強大的計算能力，決定要編寫一個程序計算反常霍爾效應。

“這是一項開創性工作。當時世界上還沒人做過反?；魻栃挠嬎?，我也沒有專門學過編程。”姚裕貴回憶道，為了進行這項工作，他分析了10萬余行代碼，又自己摸索編程平臺的用法，熬過了不知多少個日日夜夜。

這個程序，姚裕貴寫了近兩年。2003年某天，一個靈感忽然閃過，他感覺豁然開朗。程序完成后順利通過測試，姚裕貴顛覆了當時學界數十年來對反?；魻栃?ldquo;外在機制占主導，內稟機制不重要”的傳統看法，推動了該研究迅速發展。年輕的姚裕貴也因此在凝聚態物理界“小有名氣”，他的部分成果還被編入了國外主流教科書。

不過，姚裕貴沒有止步于此。他進一步思考：既然明白了原理，能否運用這些原理，在理論上設計出一種低功耗的導電材料？

他首先將眼光瞄向了前人研究較多的石墨烯。該領域權威學者曾提出，純石墨烯中自旋軌道耦合能隙約為毫電子伏特量級，但姚裕貴大膽質疑這一點，通過深入的理論分析和精確計算，發現石墨烯的自旋軌道耦合能隙約為微電子伏特量級。

“如果在這個尺度上做實驗觀測量子自旋霍爾效應，你會發現怎么也觀測不到。”姚裕貴說，“后來別人的研究也同樣表明石墨烯的自旋軌道耦合能隙確實很微小。”微電子伏特量級比毫電子伏特量級整整低了3個數量級，這意味著若以石墨烯材料作為低功耗導體材料，需要將它置于極低的溫度下運行，這不具備可行性。

“我們希望這種材料及量子自旋霍爾效應能夠在更高的溫度下運行，這就需要這種材料具有起伏的結構和更大的原子自旋軌道耦合強度。”姚裕貴將眼光投向了類石墨烯材料。2011年，姚裕貴等人在國際上首次指出類石墨烯材料——硅烯、鍺烯、錫烯是二維拓撲絕緣體，并預言了它們擁有更大的能隙。如果預言被證實，就意味著類石墨烯材料有成為低功耗導體材料的可能。

這個預言，在12年后——2023年才被部分證實。姚裕貴這一等，就是12年。

12年中，許多人曾對這個預言表示質疑，但姚裕貴始終堅定信念。

為基礎研究創造更好環境

姚裕貴常說，他所從事的基礎研究工作，是在“打地基”。他認為，基礎研究出成果慢、研究周期長、有很強的不確定性，常常需要坐數年的“冷板凳”，可一旦有成果，就可能產生顛覆性影響。“做基礎研究需有甘坐‘冷板凳’的精神，要持之以恒。”他說。

但姚裕貴也理解如今年輕人所面臨的壓力。“年輕人面臨著很大的生活和學業壓力，也渴望找到自己的位置。”他說。

這些年，身為北京市政協委員的姚裕貴一直在奔走呼吁，希望為投身基礎研究的年輕人創造更好的環境。“我認為，社會應該對科學家和科學研究有更高的容錯度。”他表示，物理學、乃至所有基礎學科和基礎研究，需要全社會的理解與支持。

為此，姚裕貴一直在推動北京理工大學物理學院作為全國科普教育基地的建設工作。“科技創新和科學普及是實現創新發展的兩翼。我希望通過這種科普，提升全民科學素質，讓民眾理解科學家的工作，同時吸引優秀人才。”姚裕貴親自掛帥，擔任該科普基地主任，并試圖將科普教育融入現在的本科生和研究生教育中。迄今為止，北京理工大學物理學院科普基地已舉辦各類公益講座百余場，服務線上線下公眾200多萬人次。

談到未來，姚裕貴充滿干勁。“干我們這一行，一般都是活到老、學到老、干到老，我也不例外。今后幾年，我希望在量子材料領域取得更大突破。”他說。