本刊記者 劉玉杰

編前語(yǔ)：

80年代以來，凝聚態(tài)物理學(xué)取得了巨大進(jìn)展，研究對(duì)象日益擴(kuò)展，更為復(fù)雜。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的固體物理各個(gè)分支如金屬物理、半導(dǎo)體物理、磁學(xué)、低溫物理和電介質(zhì)物理等的研究更深入，各分支之間的聯(lián)系更趨密切;另一方面許多新的分支不斷涌現(xiàn)，如強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系物理學(xué)、無(wú)序體系物理學(xué)、準(zhǔn)晶物理學(xué)、介觀物理等。從而使凝聚態(tài)物理學(xué)成為當(dāng)前物理學(xué)中最重要的分支學(xué)科之一。并且，由于凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)性研究往往與實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系，凝聚態(tài)物理學(xué)的成果是一系列新技術(shù)、新材料和新器件，在當(dāng)今世界的高新科技領(lǐng)域起著關(guān)鍵性的不可替代的作用。

2011年4月25日，臺(tái)北市，一年一度的IEEE國(guó)際磁學(xué)會(huì)議（InterMag）正在進(jìn)行中。這是一次國(guó)際磁學(xué)界的盛會(huì)。突然間，觀眾席上響起了雷鳴般的掌聲，一個(gè)年輕人走上講臺(tái)上，為大會(huì)做特邀報(bào)告。他就是孫周洲，大會(huì)的分會(huì)主席，中國(guó)理論凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的杰出學(xué)者。

孫周洲，1999年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)物理系，2006年在香港科技大學(xué)物理系取得博士學(xué)位，導(dǎo)師為著名理論凝聚態(tài)物理專家，國(guó)家“千人計(jì)劃”入選者王向榮教授。孫博士曾在香港科技大學(xué)、香港城市大學(xué)擔(dān)任研究員。之后入選德國(guó)國(guó)家級(jí)基金—亞歷山大馮洪堡基金會(huì)的資助，在德國(guó)雷根斯堡大學(xué)理論物理所擔(dān)任洪堡研究員。2011年回到中國(guó)，現(xiàn)為蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院特聘教授。他曾參與了國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)科研項(xiàng)目，至今共發(fā)表SCI論文33篇，包括多篇高影響因子的論文：3篇Phys.Rev.Lett.,多篇Phys.Rev.B, Appl.Phys.Lett.等，論文總引用次數(shù)329次，他引275次，h指數(shù)等于9。

定位前沿，挑戰(zhàn)尖端

孫周洲的研究重心定位于“納米磁電子學(xué)”領(lǐng)域，屬于“自旋電子學(xué)”領(lǐng)域范疇。這是一個(gè)當(dāng)今非常熱門，極具吸引力的科學(xué)前沿。這個(gè)新興領(lǐng)域，既有純學(xué)術(shù)問題的探討，又有巨大的工業(yè)應(yīng)用前景。從工業(yè)應(yīng)用方面來說，納米磁電子學(xué)或自旋電子學(xué)是新一代磁相關(guān)產(chǎn)業(yè)的理論基礎(chǔ)，有數(shù)據(jù)表明，國(guó)際上磁相關(guān)產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)正在趕超現(xiàn)有的半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)值。正如美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)指出的，“巨磁阻效應(yīng)”（GMR)引發(fā)的新一輪自旋納米器件的研發(fā)和納米自旋電子學(xué)的理論研究熱潮，將會(huì)推動(dòng)新一輪工業(yè)革命的到來。磁信息產(chǎn)業(yè)將會(huì)包括，新一代磁性硬盤、磁性內(nèi)存，磁傳感器，全金屬化自旋晶體管，磁性邏輯元件等等，具有高速，低功耗，量子相干性強(qiáng)，非易失性，高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。

孫周洲簡(jiǎn)明地介紹了他的主要研究?jī)?nèi)容：一是介觀或納米尺度下的自旋電子學(xué)及納米磁性系統(tǒng)中的磁矩動(dòng)力學(xué)研究。比如通過施加磁場(chǎng)或自旋極化電流造成在磁性納米顆粒或納米線中的磁矩翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的研究；二是介觀或納米尺度下的電子輸運(yùn)現(xiàn)象的研究。比如在超晶格，量子點(diǎn)/線/井，石墨烯，二維電子氣等系統(tǒng)中，理論研究電子在其中的量子輸運(yùn)現(xiàn)象。

“自旋電子學(xué)”、“納米磁電子學(xué)”？這些名詞不光對(duì)于我們這些非專業(yè)的人來說是頭一次聽到，就是相對(duì)專業(yè)人士也是比較陌生的名詞。它們與凝聚態(tài)物理學(xué)有著怎么的關(guān)聯(lián)？

孫周洲接著介紹說，從純學(xué)術(shù)方面來說，納米磁學(xué)是傳統(tǒng)磁學(xué)的延伸。傳統(tǒng)磁學(xué)雖然古老，但仍有眾多問題未從理論上給予最終理解，納米磁學(xué)的研究為磁學(xué)研究打開了的一個(gè)全新的視角，勢(shì)必能促進(jìn)對(duì)磁學(xué)學(xué)科的發(fā)展。例如近年來發(fā)現(xiàn)的“龐磁阻效應(yīng)”（CMR）表明Mn基鈣鈦礦氧化物系統(tǒng)是一個(gè)具有極豐富物理的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，而強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)一直是凝聚態(tài)理論物理的最有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。另外，由于自旋是非常優(yōu)秀的量子位的物理基礎(chǔ)，因此，關(guān)于自旋電子學(xué)的理論研究可促進(jìn)當(dāng)今另一重大科研前沿-量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)及發(fā)展。

當(dāng)問到孫周洲為什么選擇這樣一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域時(shí)，他原本平靜的表情開始豐富起來，眼神也跟著閃爍。看得出來，他是如此熱愛這項(xiàng)工作，以致于那些艱難、那些迷茫都不算什么了。從“凝聚態(tài)物理學(xué)”、“自旋電子學(xué)”、“納米磁電子學(xué)”……孫周洲正是被這樣一個(gè)五彩斑斕變幻莫測(cè)而又充滿著無(wú)限可能的科學(xué)世界所吸引，并深深的投入、沉浸。不畏挫折，不斷探索，在這樣紛繁交叉的領(lǐng)域中取得了一系列的創(chuàng)新成果。

敢于創(chuàng)新，敢于突破

一分耕耘，一分收獲。經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐，孫周洲在兩個(gè)重要的研究領(lǐng)域取得了突破，形成了極有分量的學(xué)術(shù)成果：

一是在半導(dǎo)體超晶格中的非線性電學(xué)輸運(yùn)理論方面，他提出了多個(gè)創(chuàng)新性概念。他將非線性科學(xué)中的極限環(huán)振蕩理論用于半導(dǎo)體物理領(lǐng)域，在理論上預(yù)言了電流自振蕩在交流下的鎖頻現(xiàn)象，并且很快獲得了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這項(xiàng)成果的創(chuàng)新性及科學(xué)價(jià)值表現(xiàn)為：將半導(dǎo)體物理領(lǐng)域與非線性科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)交叉思考結(jié)合，提出一套用非線性語(yǔ)言來解釋半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的思路和途徑，并可相應(yīng)的推廣至其它的物理系統(tǒng)，具有一定的普適性。在應(yīng)用價(jià)值上，超晶格中的電子自振蕩現(xiàn)象可用于制造高頻THz納米級(jí)固態(tài)電子振蕩器。而孫周洲提出的極限環(huán)振蕩及相應(yīng)的鎖頻理論，均可為今后超晶格振蕩器的工業(yè)應(yīng)用提供良好的理論指導(dǎo)和依據(jù)。這一理論成果使他在第14屆全國(guó)半導(dǎo)體物理會(huì)議上做特邀報(bào)告。相關(guān)的多項(xiàng)工作以第一作者發(fā)表在Phys.Rev.B、Appl.Phys. Lett.、New Journal of Physics等國(guó)際重要物理期刊上。

二是在納米磁學(xué)及自旋電子學(xué)領(lǐng)域中的磁矩動(dòng)力學(xué)調(diào)控理論方面，孫周洲在其中做出了多項(xiàng)理論突破。包括磁矩動(dòng)力學(xué)的非線性翻轉(zhuǎn)理論；采用任意含時(shí)磁脈沖或圓偏振微波可以極大地降低臨界矯頑場(chǎng)從而減少能耗的方法；理論上解析找到了最優(yōu)翻轉(zhuǎn)磁脈沖的精確形式。此外，在使用自旋極化電流驅(qū)動(dòng)磁化所謂當(dāng)前凝聚態(tài)物理最前沿之一的課題上，孫周洲也做出多項(xiàng)突破性工作，包括優(yōu)化調(diào)節(jié)電流極化方向、加速磁疇壁運(yùn)動(dòng)，提出兩體磁顆粒中的零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。取得的多項(xiàng)成果以第一作者發(fā)表在Phys.Rev.Lett.（物理類頂級(jí)雜志）、Phys.Rev.B、Europhys. Lett.等國(guó)際一流物理期刊上。并在德國(guó)著名的Springer學(xué)術(shù)出版社出版的學(xué)術(shù)書籍“Nanoscale Magnetic Materials and Applications”中合作撰寫了一章工作綜述。

孫周洲將傳統(tǒng)的磁學(xué)領(lǐng)域與非線性科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)交叉思考結(jié)合，創(chuàng)造性地提出了采用含時(shí)磁場(chǎng)或電流操控磁矩動(dòng)力學(xué)的理論框架，這在之前幾乎無(wú)人涉及。在經(jīng)濟(jì)價(jià)值上，磁矩動(dòng)力學(xué)行為的物理理解對(duì)于超高密度存儲(chǔ)介質(zhì)（如硬盤），磁性內(nèi)存，磁性邏輯器件等具有極其重要的理論指導(dǎo)意義。因此，提出的降低矯頑場(chǎng)（即減少能耗）的研究成果對(duì)磁化、存儲(chǔ)工業(yè)具有極重要的經(jīng)濟(jì)意義。而微波輔助磁矩翻轉(zhuǎn)的提議已經(jīng)得到了許多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，微波輔助降低矯頑場(chǎng)已有趨勢(shì)發(fā)展成為磁學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要專題方向。另獲得的最優(yōu)磁化脈沖的精確解形式，確信也會(huì)對(duì)今后的磁學(xué)實(shí)驗(yàn)及信息工業(yè)界提供重要的理論依據(jù)，對(duì)今后的低能、快速讀寫磁頭工業(yè)前景具有重要的指導(dǎo)意義。此外，孫周洲提出的通過調(diào)節(jié)優(yōu)化電流自旋極化方向，從而降低自旋極化電流驅(qū)動(dòng)磁化方式下的臨界電流值，為解決此工業(yè)技術(shù)瓶頸提供了一個(gè)重要的理論解決方案。

目前孫周洲即將開展的是2013年國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目：自旋轉(zhuǎn)移矩微波發(fā)生器的最優(yōu)構(gòu)型的理論分析及模擬。他充滿信心地說，納米磁電子學(xué)是一個(gè)新興學(xué)科，對(duì)于我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)趕超國(guó)際信息工業(yè)的新一輪發(fā)展具有極重要的意義，因此如果能增加投入，吸引更多優(yōu)秀的學(xué)者、年輕人從事這一方向的理論及實(shí)驗(yàn)研究，提出及制造新型的自旋功能器件，勢(shì)必能為我國(guó)的信息工業(yè)發(fā)展帶來巨大的生命力。

未來他仍將把工作的重心放在納米磁電子學(xué)的理論研究，在自旋極化電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)這一當(dāng)前凝聚態(tài)物理最前沿之一的課題上探索與前行。

結(jié)語(yǔ)：

人類從古代科學(xué)時(shí)期對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)的直觀，到近代科學(xué)時(shí)期對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)的分化，再到現(xiàn)代科學(xué)時(shí)期，科學(xué)的發(fā)展正逐漸把人為分解的各個(gè)環(huán)節(jié)又重新整合起來。近100多年間，交叉科學(xué)正消除著各學(xué)科之間的脫節(jié)現(xiàn)象、填補(bǔ)了各門學(xué)科之間邊緣地帶的空白、將條分縷析的學(xué)科聯(lián)結(jié)了起來，而越來越多的學(xué)者正綜合運(yùn)用多種學(xué)科的理論和方法研究復(fù)雜的客體，不遺余力的踐行著科學(xué)的整體化。孫周洲，我們期待他帶給我們更多的驚喜。