遨游神奇的材料世界

迟艳艳

集成电路的发明，引爆了智能电子产品的潮流;巨磁阻材料的发现，促使了计算机的高速发展;蓝光LED的出现，开辟了照明的新纪元……循着2000年、2007年、2014年诺贝尔物理学奖的脉络，我们不能忽视的是，材料学科的每一次进步，推动着科技时代的进程。

近十几年，先进材料研究成果密集涌现，有人断言21世纪将是材料革命的时代。石墨烯是当前最神奇的材料之一，是最薄、最坚韧的纳米材料，具有很多特殊的物理性质，一旦能实现应用，将带来一场深刻的工业革命，极大地改变人们的生活。因此，石墨烯是当今世界最热门的研究热点之一，各国政府都投入巨大的人力物力从事相关研究，比如2013年欧盟石墨烯旗舰项目为此列支了10亿欧元的巨额经费。其中两个重要的研究方向就是基于石墨烯的磁性材料和拓扑绝缘性材料。

“80后”科研工作者胡军在材料领域乐此不疲，在磁性纳米结构的磁各向异性，金属多层膜、金属/钙钛矿氧化物界面的磁性调控，拓扑绝缘体的带隙及边缘态的理论设计中取得了一系列原创性成果，以拼搏向上的青年学者姿态奔跑在该领域的前沿。

探索磁性材料的奥秘

磁性材料是一种古老而用途十分广泛的功能材料，与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济等方方面面紧密相关。2009年，胡军漂洋过海来到美国加州大学尔湾分校，师从磁性材料研究领域的国际知名专家，就此与磁性材料结缘。到现在，胡军已在磁性材料方面取得了一系列原创性的研究成果。

有机分子磁体，特别是铁酞菁分子（FePc）是自旋电子学领域中的热门研究对象，实验发现，当FePc分子被放置在Cu（110）衬底上时其自旋取向发生翻转，但其机理尚不清楚。对此，胡军展开了深入系统的研究，解释了这一现象。其研究发现，FePc分子与衬底间的电荷转移导致自旋取向翻转，并发现其磁电效应非常显著。胡军预测，通过外加电场调节电荷转移，可以操控FePc分子的自旋取向，这一性质在自旋电子器件中具有极大的应用前景。这项工作是关于有机磁性分子中磁电效应的开创性研究，为磁性分子的实验和应用研究提供了理论依据，发表于物理评论快报（Phys. Rev. Lett.），被多个一流学术杂志引用，得到了同行的广泛认同和肯定。

除此之外，胡军还研究了过渡金属双原子分子的磁各向异性。为提高磁记录器件的单位存储密度，人们一直在寻找合适的磁性纳米结构做磁记录单元，而最小的磁性纳米结构是过渡金属双原子分子。胡军介绍说：“过渡金属双原子分子的应用前提有两个，一是有合适的衬底材料支撑以便做成器件，二是有较大的磁各向异性能（大于30meV）以保证自旋取向在室温以上稳定。尽管早前有研究小组发现某些孤立的过渡金属双原子分子具有巨磁各向异性，但绝大多数衬底材料都将大大减弱其磁各向异性，甚至破坏分子结构，为应用设计带来极大困难。”

针对这一问题，胡军提出利用石墨烯空位缺陷给过渡金属双原子分子提供支撑的方案，经过大量搜索，发现了两种过渡金属双原子分子和石墨烯的组合既具有巨磁晶各向异性能（60meV以上），又保持分子结构稳定，有潜力成为目前为止最小的磁记录单元。这项研究是将过渡金属双原子分子的自旋取向稳定性和结构稳定性结合在一起的开创性研究，为新奇磁性纳米结构做出了有意义的预测。

拓扑绝缘态领域的尖兵

拓扑绝缘态是近几年发现的一种全新的材料特性，在凝聚态物理学和材料科学各领域引起了极大关注。拓扑绝缘体的内部是绝缘态（带隙10-3 10-1eV），而在边界上因为相对论效应（即自旋轨道耦合效应）会形成量子化和无耗散的电流，在未来的量子器件如量子计算机中，有极大的应用前景。尽管石墨烯是最早被预测的拓扑绝缘体，但其自旋轨道耦合效应太弱（导致拓扑绝缘带隙太小10-6eV），无法在现有的实验条件下观测到拓扑绝缘态。但胡军深知，石墨烯作为最独特的单原子层二维材料，在下一代电子器件、自旋电子器件、太阳能电池等众多领域有广泛的应用前景，因此提高其拓扑绝缘带隙有重要的价值。以这样的理念为基础，胡军做了大量工作，提出了在石墨烯上沉积重金属原子以增强自旋轨道耦合效应的方案，预测了一系列具有应用前景的拓扑绝缘态，发表了数篇具有影响力论文。

一方面，胡军预测在石墨烯上沉积三族元素铊（Tl），不破坏石墨烯的狄拉克锥，但Tl的p轨道的强自旋轨道耦合效应传递给了石墨烯π电子，在石墨烯的狄拉克锥处产生高达21meV的拓扑绝缘带隙，比石墨烯自身的带隙提高了三个数量级，该拓扑绝缘态可以存在于200K左右，大大提高了实验研究的可行性。

另一方面，胡军研究了5d轨道与石墨烯狄拉克态的杂化带中的拓扑绝缘态。研究表明，在石墨烯上沉积重过渡金属原子锇（Os），其5d轨道与石墨烯的π轨道强烈杂化，生成一系列新的能带。其中一些能带具有拓扑绝缘态性质，拓扑绝缘带隙高达270meV，远高于室温对应的带隙，而且此拓扑绝缘带隙受Os原子的覆盖度影响较小，当覆盖度为2%?6%时，拓扑绝缘带隙变化不到10%（250meV?270meV），具有较强的抗干扰性。

这两项工作在研究石墨烯中拓扑绝缘态的领域具有开创性，分别发表于物理评论X（Phys. Rev. X）和Phys. Rev. Lett.，并引发了大量后续工作，并被Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等顶级期刊多次引用。例如，著名物理学家A.H. MacDonald与合作者在其多篇论文中引用胡军的这两项工作;A.H. Castro Neto与合作者则评价胡军的工作为增强石墨烯的自旋轨道耦合效应开启了新途径，并在实验中把铜原子沉积到石墨烯上实现了这种增强效应;而N. Nagaosa与合作者认为胡军预测的二维拓扑绝缘体相对于量子阱二维拓扑绝缘体更简单，并展开了后续工作。近三年来，胡军发表于Phys.Rev.X的文章在Web of Science检索总引用次数超过150次，且在该期刊所有论文中总引用数一直保持排名第一。

另外，新型拓扑态Chern半金属也是胡军取得的突破性成果。普遍的观点认为，量子反常霍尔效应只存在于磁性拓扑绝缘体中，然而胡军提出半金属态也可能导致量子反常霍尔效应，即一个自旋通道具有拓扑绝缘性（贡献量子反常霍尔效应），而另一个自旋通道为普通金属（与量子反常霍尔效应无关）。胡军称这种新的拓扑态为Chern半金属。通过一系列理论模型的反复论证，胡军证明沉积有钴（Co）或铑（Rh）的石墨烯为Chern半金属。Co和Rh沉积石墨烯上具有很强的垂直自旋取向，满足了实现量子反常霍尔效应的自然条件。就这样，胡军提出了Chern半金属的概念，把拓扑材料从绝缘体推广到了半金属。

如今，作为老师的胡军常常告诉学生，基础研究是根本，要善于将一些不成熟的想法建立成具体的理论模型，然后用实验手段来验证想法，只有基础理论做好了，才能给实际应出指明方向。这也是他一路走来的切身感受，他也在言传身教地传承下去。

“在遇到问题的时候，学生要学会解决问题，并且在不断发现和解决问题的循环中提高自己。这是一个循序渐进的过程。”对未知世界充满认识的渴望，对能力积累怀抱无限的耐心，这是胡军坚持告诉学生的真理。endprint