张焱：做凝聚态物理领域的“福尔摩斯”

汲晓奇

“头脑精密、眼光敏锐、性格冷静、思维严谨而独特，具备超强的观察和推理能力。善于用他独创的演绎法，常常足不出户就可以解决很多疑难问题，一生侦破了大量的怪案奇案……”这是19世纪末的英国小说家柯南·道尔所塑造的福尔摩斯形象——一个才华横溢的侦探。一百多年来，这一形象风靡全球，拥趸无数。而我们此文的主角——北京大学量子材料科学研究中心研究员张焱，也是个不折不扣的福尔摩斯的忠实粉丝。

然而，张焱并没有成为一名“侦探”，而是走上了物理学研究之路。他的工作是借助多种技术手段，进入各种材料的内部去观察分析其结构，获取重要的实验证据，并深入地理解多个证据之间的联系，再通过判断，找出材料产生某些性质的原因，从而获取一种“结案”的快乐和成就感。“这么说起来，在科研过程中，我常常会产生一种福尔摩斯探案的感觉。”张焱笑着说。

一头扎进材料世界

张焱是个“85后”，有着一张娃娃脸，笑起来就像邻家的一个阳光大男孩，但是他的言行举止却并没有同龄人的浮躁与盲动，而是多了几分成熟和沉稳。“我的经历很简单”，身为新一批国家“青年千人计划”引进人才，张焱这样总结自己走过的路。

对他来说，走进千奇百怪的材料世界，与凝聚态物理结缘，是一段机缘巧合。当他还是复旦大学的一个大二学生时，导师封东来给他出了一道题目，一个与氧化镁材料表面电子相关的项目。张焱花了一个学期的时间来完成这个项目。在研究过程中，他突然觉得固体内部的物象和一些电子态很有意思，越来越痴迷于其中。所以，当导师提到组里有另一个关于材料的科研项目，询问他要不要留下来继续做的时候，张焱毫不犹豫地答应了下来。

那么，你所研究“材料”都是什么？有什么用途……张焱经常会遇到这样的问题。说起来，他的研究对象包括复杂的强关联材料，例如高温超导材料、自旋和电荷密度波体系以及丰富的磁有序材料等；还包括低维材料，例如薄膜、表面加工和处理、界面等。“在材料中，电子扮演着很重要的角色。材料中的电子在电荷、晶格、轨道、自旋等各种自由度的相互作用下，主导着材料的各种物理性质，衍生出多种奇异的材料。而这些新奇的材料中，往往蕴含着对未来有深远影响的材料。我们利用多种研究方法，探索新的奇异材料，揭示其中的物理机理，寻找可以为人类社会服务的新型功能材料。”他耐心解释道。一直以来，张焱和他的团队利用高分辨角分辨光电子能谱技术来研究这些材料中电子态的性质。同时，他们通过结合单晶合成、薄膜生长和样品调控等实验手段，不仅可以诱导和优化材料的物理性质并探索新的功能材料，还为理论上理解这些材料物理性质背后的微观机理奠定坚实的实验基础。

在外人看来，这似乎是一个非常复杂的事情，事实上，这确实也是一个世界性的难题。但在张焱的眼中，却充满了乐趣。“发现一种新材料的过程有点像调查一个案件的真相。当我们试图发现藏在材料背后的各种奥秘时，我们需要去寻找多方面的实验证据，以探寻其奥秘的全貌。当证据够多的时候，我们可以做一些大胆的猜想，并设计一些有针对性的实验区验证我们的猜想。最终抽丝剥茧，得出最后的真相。”

材料推动世界的发展

人类历史的车轮向前滚动离不开材料的发展，在张焱看来，探索并研究具有奇异物理特性的先进材料一直是凝聚态物理领域研究的重点。新型功能材料的研究和探索深刻影响着社会的进步，铁和铜的冶炼及应用推动了古代人类社会的发展，而近代硅基半导体的广泛应用更是使人类跨入了信息时代。从应用角度来讲，我们的社会就是在材料的基础上搭建起来的。

张焱最近几年研究比较多的是超导材料。 铁基高温超导体的发现是凝聚态物理的一个重大突破。它不仅在科学研究方面意义重大，在社会应用领域也是前景光明。“我们所熟知的超导磁悬浮列车、超导输电电缆以及医院里所用到的核磁共振等都是超导材料。”张焱解释说，如果能够让超导电性在常温常压下实现，基于超导技术的各种产品，都将在广泛应用在我们的生活、生产之中。

早在博士研究期间，张焱就在导师封东来的指导下，对多个铁基超导体系进行了细致的研究。在KxFe2-ySe2高温超导材料中，他们发现其费米面结构和其他所有铁基超导体不同，并不具有中心的空穴型费米面。这样的费米面拓扑结构颠覆了人们对铁基费米面与超导关系的认识。同时，他们发现 KxFe2-ySe2的超导能隙具有各向同性的动量空间分布。这一结果被Nature Materials杂志选为该杂志建刊十年以来发表的二十个里程碑工作之一，也是中国唯一入选的工作。

他们还在Sr1-xKxFe2As2中研究了超导和自旋密度波的关系，第一次从电子结构的角度上提出了超导与自旋密度波的共存，并对其后续的理论理解提供了实验基础。他们对铁基超导磁有序态、向列相态和轨道性质等方面也做了很多系统的工作，其实验结构阐述了铁基超导体对称破缺态下，电子结构的详细特征。最后，他们还利用角分辨光电子能谱的偏振依赖特性，找到了在铁基超导体中判定能带轨道特征的实验方法。这一实验手段和方法，被后来多个实验组借鉴。由于在铁基超导领域突出的研究成果，张焱作为封东来老师团队的一员，获得了2015年国家自然科学奖二等奖。

“超薄材料也是寻找新型功能材料的一个重要的宝藏。”张焱认为，材料尺度的改变直接影响着材料的物理性质。当一个材料的厚度被缩小到几个原子层，甚至于只剩一个原子层的时候，其性质会有巨大的改变。在斯坦福大学开展博士后研究期间，他在导师沈志勋教授的指导下，利用角分辨光电子能谱研究了FeSe单层膜和多层膜中的多个物理问题。他们发现，在FeSe多层膜中存在着很强的向列序，并在这一向列序中，观察到了电子结构的非常规的重组现象，为理解向列序提供了重要的线索。同时，在FeSe单层膜中，他们观察到了能隙的各向异性，并以此作为证据，获得了判断超导配对对称性的证据。

欲善其事，先利其器

古人云：工欲善其事，必先利其器。要研究好材料的微观性质，角分辨光电子能谱就是一个强大的“利器”。由于直观，它可以直接激发和探测材料内部的电子，获得样品内部丰富的信息，从而整理出整个材料线索的来龙去脉，为理论理解相关材料提供重要的实验依据。“角分辨光电子能谱拥有着强烈吸引我的魅力。”张焱表示。endprint

回国以后，张焱计划在北京大学设计并建立先进的角分辨光电能谱实验装置。在温度、能量动量分辨率、真空等方面达到国际领先水平的同时，基于最新一代的电子能量分析器，他将重点解决数据采集效率、数据可靠与重复性、数据采集空间等方面的问题。但由于这种复杂的大型设备目前并没有成套设备和商用设备，他只好根据研究的需求自己完成系统搭建。

“一个做实验物理的人，一定要熟悉自己的设备！”某位诺贝尔奖获得者曾说。张焱非常认同这一点，“就如同一个战士一定要熟悉自己的武器，在战场上才能做到弹无虚发。如果我们不能熟悉设备，就意味着肯定做不出世界顶尖的水平。只有熟悉设备，才能发挥出设备的最大效力，从而做出一些非常有重要意义的结果。”

当然了，要从技术上达到世界顶尖水平，还必须要有创新。而要提出设计性的想法，就要突破已有的这些仪器上的限制，将设备性能提升到更高水平。张焱团队正在搭建的设备就有几个与众不同的创新地方。其中之一就在于强调了测量的可重复性。“就是希望当我们拿到一套完整数据的时候，每一次数据在采集时的实验条件是完可重复的，这要求样品的位置、温度、所处的表面环境每一次都要精确可控。”张焱向我们解释道。为此，他进行了一系列特殊的设计，强调高度的可重复性，保证实验条件完全一致，以达到实验数据的完整采集。

“此外，就是要强调调控和测量紧密结合，在测量过程中完成调控。尽量保证在调控过程中，其他条件不会发生变化，以便使调控精度更高，更有指向性。”为此，张焱团队设计了独特的样品生长和调控系统，并计划将其与角分辨系统通过超高真空连接起来，以利于进行原位生长、调控、测量等一系列研究。利用这样的设备，张焱希望，在不久的将来，可以找到新的有用的功能材料，并理解其中的物理机理。

坚持源于乐在其中

算算时间，张焱回到国内已经一年多了，科研几乎占据了他生活的全部。白天，他做设备搭建，探索和合成新的材料。晚上，他还要深入钻研、写文章，阅读科研文献。

当谈到国内外科研环境的落差时，张焱表示，国内科研界已经在慢慢吸取国外的经验，科研氛围和硬件条件与国际相比并不差。比如他所在的北京大学量子科学研究所，就洋溢着国际化氛围。张焱笑称，现代物理已经不是牛顿和爱因斯坦的时代了，不会让人有“高处不胜寒”的感觉。“现在搞物理的人很多，研究方向相同的人也不少，交流和合作才是主流，这个圈子不会寂寞。”他说。

同样年轻的张焱，刚过而立之年，就已经身为博士生导师，有了自己的学生。他们之间的关系亦师亦友。由于年龄上的差距不大，他们有共同的兴趣和话题，可以无话不谈。而作为老师，张焱也有严格的一面。他要求学生在科研时间上要充分投入，在知识储备和实验技术方面都要经过千锤百炼。他特别提出，想要成为独立的科研人员，就要具有独立思考的能力，如果没有这一点，只能算得上是一个纯熟的技术工人，而称不上是一名合格的物理学家。

面对着物理研究的枯燥，曾经，导师封东来总是以一句话来鼓励张焱——“科研不是简单的辛苦堆砌，只有乐在其中的人才能坚持下去。”如今，张焱把这句至理名言又转达给自己的学生，而他本人也是如此做的。他把每一次实验都看做一场有意思的游戏，可能中途难免遭遇瓶颈，但是在发现问题、探索问题、解决问题的过程中，只要坚持下去就能感受有趣的材料，看到神奇的变化，最终得到答案，这每每让张焱乐此不疲。

身为“探案迷”的张焱心中明白，在案件中，事情的真相只有一个。而在物理世界中，未知的材料会有千千万万，等待着他去发现、去破解。

做一名凝聚态物理领域的“福尔摩斯”，是的，他已经准备好了。endprint