奋斗创未来 科学谱希望——访中国科学院物理研究所研究员戴希

本刊记者 李 灵

奋斗创未来 科学谱希望
——访中国科学院物理研究所研究员戴希

本刊记者 李 灵

“2011年6月17日，对中国科学院物理研究所研究员戴希来说，十分有意义。这天，他获得了‘中国科学院青年科学家奖’，和他一同获该奖项的还有9位青年学者。据报道，10位获奖青年学者的平均年龄为38.5岁，研究涉及数学、物理、化学等领域。他们已成为各自研究领域的佼佼者，其中7人为中科院‘百人计划’入选者。”

这是2011年6月中旬被各大媒体争相报道的一则新闻。自古有云：“长江后浪推前浪”，纵观世界科教历史，年轻人发挥了巨大作用，他们是科学得以延续和创新的希望。而作为年轻人中的优秀一员，戴希近年来所取得的成绩，引来业界普遍关注。

典型的娃娃脸，随意偏运动的穿着……戴希身上有很多特点使他看起来甚至比同龄人还更稚气，更年轻。然而，也正因为这样，才让记者更深刻地感受到他身上所蕴含的强大朝气和创造力，加上言谈举止的庄重得体及思维的缜密，未来希望也因他而更让人坚定起来：中国科学有了这样一群年轻人，何惧矣！

“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上。”虽然年轻有为，戴希却用科学巨匠牛顿的一句名言来强调前辈对自己的影响。要站到巨人的肩膀上并非易事，而要从塔尖上看到的广袤、壮美的风景，亦远非常人可以想象的。戴希的科研之路就是一条奋斗与收获并进之路。

站在巨人肩膀上

戴希，1971年7月21日生于浙江杭州，这一充满富贾巨商的富饶之地。自小天资聪颖的他却不爱从商偏爱从研，打小就对数理化，尤其是对物理有着浓厚的兴趣。高考成绩优异的他考取浙江大学，却在就业的压力下选择了材料系。学至中途，他发现自己依然割舍不下对物理的一份执着与热爱，在转系不成的情况下毅然以“编外”的形式，自己到物理系当起了旁听生，并最终完成了两门学科的学习任务。所以,从研究生阶段开始，戴希毫不犹豫地回归自己最初的物理梦想，开始了真正意义上的物理探寻之路.从此精勤不倦，乐此不疲。先后于1999年在中国科学院理论物理研究所获得博士学位；1999年至2005年的6年间，在香港、美国等多个高等研究机构开展强关联理论及计算方面的研究工作；2005年入选中科院“百人计划”，现任中科院物理研究所研究员、博士生导师。

在物理探寻世界里，戴希是一个一心向上，从不轻言放弃的人。为使自己的物理理论基础更为扎实，读博之前，他慕名找到时任中科院理论物理研究所所长，在我国理论物理方面有突出贡献的苏肇冰院士，表达了自己期望拜师门下的愿望，没想到吃了“闭门羹”，苏院士以自己担任行政工作无暇带好学生为由婉拒了他。可戴希依然没有放弃，执意要考，并以出色的成绩为自己赢得了面试的机会。最后其扎实的专业技能和执着的精神打动了苏院士，终于如愿以偿被收入门下。半年以后，戴希成长了起来，很多科研任务，甚至参加学术交流会议，恩师也放心交由他独立去承担。也正因这样的培养方式，使戴希更快更好地成长起来。毕业前，他早已经成为一名能够在各方面独挡一面的真正的“科研战士”。

科研贵在积累，贵在不断进取。虽中科院给戴希提供了一个“起飞”的良好平台，但深谙“山外有山人外有人”道理的戴希在获得博士学位后，选择了留学海外继续深造，而多年在中科院所学所练，为他在美国工作期间有所收获奠定了良好基础。

在美国工作期间，戴希与科研团队一起开发了一套能与第一性原理计算相结合的动力学平均场理论程序包，并利用这一程序包解决了凝聚态理论中一个难解之谜，即金属Pu的第一性原理计算；他还提出了一个可以直接探测高温超导材料赝能隙态的配对涨落的实验方案，并针对该方案进行了理论上的计算。通过计算表明，超导配对涨落将在NS隧道结中引起很大的涨落噪声，而在噪声频谱中，两倍于节电压处，将形成一个谱峰。这一预言，使得对赝能隙态配对涨落的直接观察成为可能，对高温超导电性的机理探索具有重要的意义。回想起在美国的研究经历及所见所闻所感，戴希感慨良多：“‘科学没有国界，没有身份尊卑之分’这句话在国外表现尤为明显。在那儿，无论是白发苍苍的科研巨匠，还是初出茅庐的年轻学者，大家都有平等交流，自由言论的权利。而国外对科学成果自成一体，一代一代留传下来的评判标准也较为正确，值得后一辈科学家学习，并贯彻实行。科学探索永无止境，唯有站在巨人的肩膀上，一代又一代传承延续，才能与时俱进，跟上世界的脚步。”

科研结硕果

虽然在国外小有成就，但在戴希心里，总装着一个他认为最能发挥自己所学的科研“伊甸园”，那就是曾经赋予他梦想起飞的中科院。2005年，羽翼渐丰的他入选中科院“百人计划”，回到中科院物理研究所。正如他所愿，院里给他提供了一个发挥所长的良好平台，在各方的支持和自己的努力之下，戴希递交了一份不错的科研成绩单。

回顾并不算很长的科研生涯，戴希的主要学术成就集中在强关联材料的第一性原理计算和拓扑绝缘体的理论研究上。其中代表性工作包括：1）利用LDA+DMFT方法计算得到了金属钚的声子谱；2）提出并发展了LDA+Gutzwiller方法并应用于强关联材料的第一原理计算；3）通过计算预言以Bi2Se3为代表的多种拓扑绝缘体材料，建立了相应的低能有效理论，并提出了在这类材料中进行磁性掺杂可能导致量子化的反常霍尔效应。此外，还发现了一系列重要的拓扑绝缘体材料，有力地推动了有关拓扑绝缘体的理论和实验研究。多项研究成果发表于国际一流刊物(包括Phys.Rev. Lett.14篇，SCIENCE3篇，Nature1篇，Nature Physics2篇)上，获得国际同行的一致好评。据统计，SCI总引用次数达两千八百多次。由于在拓扑绝缘体方面的重要贡献，戴希与其他六位同事一起，获得了2011年度的“求是科技成就集体奖”，相关的研究工作还入选了2010年度的中国科技十大进展。

LDA+Gutzwiller方法

——一种全新的针对强关联材料的第一性原理计算方法

戴希的重要成绩之一就是提出了LDA+Gutzwiller方法——一种全新的针对强关联材料的第一性原理计算方法。早在跟随苏肇冰院士学习的时候，他就在这一领域有过深入探索。

据戴希介绍，凝聚态理论的长足进展已经搞清楚了许多材料的物性问题，但是还存在一些疑难问题悬而未决，其中最突出的莫过于强关联电子体系的问题。所谓电子关联，就是意味着电子和电子之间存在库仑相互作用，传统的能带理论在处理固体中的电子系统时，首先是忽略了电子之间相互作用，将电子系统视为相互独立的理想气体，考虑单电子与晶体的周期结构之间的相互作用，从而得到了固体的能带结构，然后再引入电子间的相互作用加以修正，但它并不适用于强关联的电子体系，即电子间相互作用占主导地位的材料体系。

为了解决强关联材料的电子结构计算问题，80年代以来发展了多种方法，其中目前得到较广泛应用的主要是两种方法，即LDA+U和LDA+DMFT。多年的应用实践表明，LDA+U对于电子关联的处理过于粗糙，而且不能处理不出现静态长程有序（比如铁磁、反铁磁、轨道序等）的体系；而LDA+DMFT则限于其过于巨大的计算量，不能很好地应用于许多大体系计算。近年来的研究趋势表明，我们越来越需要一种既快速又精确的电子结构计算方法，以用于复杂的实际强关联材料的第一性原理计算研究。

从2006年开始，戴希和他的研究伙伴——方忠研究员在这方面进行了艰苦的努力，终于在2007年底成功地提出了一种全新的针对强关联材料的第一性原理计算方法，即LDA＋Gutzwiller方法。

这一计算方法用Gutzwiller变分法来有效地处理电子之间的强关联效应，因此对比LDA+DMFT方法，即保留了相当高的计算精度，又极大地提高了计算速度，使之能应用于许多实际体系的计算。同时他们从最基本的变分原理出发，构造了“参考哈密顿量”，使得LDA+Gutzwiller方法有了一个更加坚实的理论基础，为今后可能的改进明确了方向。在完成了解析推导的基础上，他们又付出了巨大的努力，克服了种种技术上的困难，成功地实现了这一方法的程序化，与拥有完全知识产权的BSTATE计算软件包实现了完美的结合。

LDA+Gutzwiller方法提出后，戴希及其研究团队把它应用于各类过渡金属化合物材料的计算研究之中。结果表明它完全解决了早先LDA计算与实验不符的问题。这一工作在PRL发表之后，得到了许多国际同行的好评和认可。

鉴于LDA+Gutzwiller方法的良好效果，很多同行慕名而来学习相关理论知识，而戴希表示，目前，他们还在进一步发展这一计算方法，计划在两年内，把它发展成为各种功能齐全的，针对强关联材料的计算方法。其中将包括：表面结构优化、强关联体系在外场驱动下的线性响应、晶格动力学性质计算等等。

拓扑绝缘体材料系列工作拓扑绝缘体作为一个全新的领域，具有很强的产业化前景。如果中国能够把握先机，引发未来电子技术的新一轮革命，就能抢占未来电子信息行业的制高点，为此，国内很多科学家投入到这场“战争”中。戴希的另一亮点工作之一就是在拓扑绝缘体材料研究领域所做出的系列贡献。

神奇而又有趣的拓扑绝缘体材料

按照电子态结构的不同，传统意义上的材料被分为“金属”和“绝缘体”两大类，而拓扑绝缘体因为其独特的性质而介于这两大类之间。在拓扑绝缘材料中，它不像传统材料是通过电荷来携带信息，而是通过电子自旋来进行信息的传递。所以在拓扑绝缘材料中，信息的传递并不涉及耗散过程，通俗地说也就是不会发热。

2005年，不需要强磁场和低温条件下就可以工作的拓扑绝缘材料被发现之后，立刻引起了科学界的重大关注，因为摩尔定律认为，电脑的关键元器件晶体管会越来越小，同时随着集成度的增大，电脑的计算能力会增加。但是随着晶体管越小越密集，发热问题也就会越突出，因此许多人预言摩尔定律将于2015年失效。而拓扑绝缘体的发现将可能解决这个问题，在未来成为半导体材料的替代品，从而引发未来电子技术的新一轮革命。

据戴希介绍，最早发现的拓扑绝缘体状态，可以追溯到20多年前发现的量子霍尔效应。美国科学家埃德温·霍尔在19世纪末发现，通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90°，这被称作霍尔效应。1980年，科学家又发现在极低温和强磁场条件下，二维电子气体会在电场驱动下产生无损耗的横向运动，这就是量子霍尔效应。与无序运动导致热量产生相比，电子保持秩序状态几乎没有能量损耗，也就是说不会发热，这就是最早发现的拓扑绝缘态，这一发现让人们对制造新型电脑芯片元器件充满了希望。量子霍尔效应也因此而分别获得1985年和1998年两度Nobel物理学奖，开创了凝聚态物理学的一个新纪元。但由于这种效应需要满足强磁场和低温这两个条件，这样的装置离推广使用无疑还很遥远。

2006年，美国斯坦福的张守晟研究组提出，在碲化汞量子阱体系中可能存在无需磁场而由本征材料能带结构产生的拓扑绝缘态，而这种特殊的拓扑绝缘体态将引起非常有趣的量子自旋霍尔效应。这一理论预言很快得到德国乌兹堡大学科学家的实验证实。对于量子自旋霍尔效应，科学家们解释到：当你击打一个东西时，它通常会散开，还有可能反弹回来，但量子自旋霍尔效应意味着你不能按照完全相反的路径将其反射回去。由此造成的戏剧性效果就是电子毫无阻力的流动，将一个电压加到拓扑绝缘体上，特殊自旋流就会产生，且不会造成材料的发热。它同样可以做到无能量损耗地传递信息，并且不需要强磁场和低温。这一新发现让科学家们为之振奋，这为未来的电子技术的发展开辟出了一个新的天地。拓扑绝缘体的出现迅速成为现代凝聚态物理中的一个重要研究主题。

拓扑绝缘体在中国

在国际掀起拓扑绝缘体材料研究热潮的同时，中国也在加紧相关研究工作。中科院物理研究所在很早就介入到拓扑绝缘体的研究中，长期以来与“量子自旋霍尔效应”提出者——张守晟研究组一直都保持着密切的合作，并在2009年取得了一系列突破性的进展。

2009年初，戴希、方忠研究组与张守晟教授研究组预言了一类新的强拓扑绝缘体材料系统（Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3）。他们通过理论和计算系统地探讨了这类材料成为强拓扑绝缘体的物理机制。这类拓扑绝缘体材料有着独特的优势：它是最简单的强拓扑绝缘体，便于理论模型研究，同时非常稳定且容易合成，有可能会成为实现室温低能耗的自旋电子学器件。该工作发表在英国的《自然物理》杂志上，得到了中国科学院、国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划和国际科技合作计划的支持。在理论预言发表的同时，戴希、方忠研究组还积极与物理所内外各相关的实验组合作，推动了实验的进展，证实了理论预言的正确性。他们与美国斯坦福大学的沈志勋教授小组合作进行的角分辩光电子能谱（ARPES)实验；配合本所的吴克辉研究员小组利用分子束外延技术制备了高质量的Bi2Se3单晶薄膜；与本所的马旭村研究员组、清华大学的薛其坤院士研究组合作，利用STM观测到拓扑绝缘体表面态的螺旋状自旋结构；与物理所的何珂副研究员、清华大学的薛其坤院士小组合作利用ARPES观测到拓扑绝缘体的三维电子态到二维电子态的演化等。

值得一提的是，戴希研究组及其合作者们发现了在拓扑绝缘体材料（Bi2Se3, Bi2Te3and Sb2Te3）的薄膜中通过磁性掺杂过渡金属元素（C r或者Fe）可以实现量子化的反常霍尔效应。这一发现为低能量耗散的新型电子器件设计指出了一个新的发展方向。该工作发表在美国的《科学》杂志上［R.Yu, et.al., Science, 3 June 2010,DOI:10.1126/Science.1187485，得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划和国际科技合作计划的支持。

戴希及研究同伴们所做的这一系列的工作，在国际上引起了很大的反响，使得物理所在拓扑绝缘体的研究中再次走在了世界的前沿，很快成为目前世界上进行拓扑绝缘体研究的一个中心。

渴望“沃土”和“阳光”

“为了抉择真理，我们应当回去；为了国家民族，我们应该回去……”这是数学家华罗庚于1950年2月的归国途中，给中国全体留美学生写的一封公开信。

几十年前，多少海外学子在这样的倡议下踏上了归国之路；几十年过去，新时代的年轻人回国更多的是讲求一种“小”而实在的心理。正如戴希之前所提到的，他回国没有前人那般“华丽”的理由，只简单地出于文化和习惯的需要，出于对中科院的眷恋。自始至终，戴希都认为中科院才是最能让他发挥所学的“归宿”所在。这里有着全国科研机构最好的科研氛围，人才济济，可以专心科研，提倡自由，鼓励创新……

但多年在外的工作经历也使戴希轻易地发现中国科研机制所存在的种种弊病，如研究人员参与科研活动时间少，科研投入大多属竞争性经费，争取和实施过程耗费大量时间、精力；国家过多干预人才招聘，存在过多阻碍人才发展的各种观念和体制束缚等。“要想使中科院成为世界一流的科研机构，最关键的是拥有优秀人才，国家应该想办法为优秀人才提供‘肥沃的土壤’和‘充足的阳光’，同时应该营造科学严谨、求真唯实、风清气正的创新文化氛围，建好‘创新生态系统’，‘规划好森林，让树木自由生长’”。

“人的一生应当是这样度过：当一个人回首往事时，不因虚度年华而悔恨，也不因碌碌无为而羞愧……”对戴希等一批年轻科学家来说，这也许是他们奋斗路上最想要表达的心声。不管世界如何变化，不管时代怎么改变，奋斗应该是一代又一代年轻人坚持的主题。