本刊記者 汲曉奇

張焱：做凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的“福爾摩斯”

本刊記者 汲曉奇

“頭腦精密、眼光敏銳、性格冷靜、思維嚴(yán)謹(jǐn)而獨特，具備超強的觀察和推理能力。善于用他獨創(chuàng)的演繹法，常常足不出戶就可以解決很多疑難問題，一生偵破了大量的怪案奇案……”這是19世紀(jì)末的英國小說家柯南·道爾所塑造的福爾摩斯形象——一個才華橫溢的偵探。一百多年來，這一形象風(fēng)靡全球，擁躉無數(shù)。而我們此文的主角——北京大學(xué)量子材料科學(xué)研究中心研究員張焱，也是個不折不扣的福爾摩斯的忠實粉絲。

然而，張焱并沒有成為一名“偵探”，而是走上了物理學(xué)研究之路。他的工作是借助多種技術(shù)手段，進入各種材料的內(nèi)部去觀察分析其結(jié)構(gòu)，獲取重要的實驗證據(jù)，并深入地理解多個證據(jù)之間的聯(lián)系，再通過判斷，找出材料產(chǎn)生某些性質(zhì)的原因，從而獲取一種“結(jié)案”的快樂和成就感?！斑@么說起來，在科研過程中，我常常會產(chǎn)生一種福爾摩斯探案的感覺。”張焱笑著說。

一頭扎進材料世界

張焱是個“85后”，有著一張娃娃臉，笑起來就像鄰家的一個陽光大男孩，但是他的言行舉止卻并沒有同齡人的浮躁與盲動，而是多了幾分成熟和沉穩(wěn)。“我的經(jīng)歷很簡單”，身為新一批國家“青年千人計劃”引進人才，張焱這樣總結(jié)自己走過的路。

對他來說，走進千奇百怪的材料世界，與凝聚態(tài)物理結(jié)緣，是一段機緣巧合。當(dāng)他還是復(fù)旦大學(xué)的一個大二學(xué)生時，導(dǎo)師封東來給他出了一道題目，一個與氧化鎂材料表面電子相關(guān)的項目。張焱花了一個學(xué)期的時間來完成這個項目。在研究過程中，他突然覺得固體內(nèi)部的物象和一些電子態(tài)很有意思，越來越癡迷于其中。所以，當(dāng)導(dǎo)師提到組里有另一個關(guān)于材料的科研項目，詢問他要不要留下來繼續(xù)做的時候，張焱毫不猶豫地答應(yīng)了下來。

那么，你所研究“材料”都是什么？有什么用途……張焱經(jīng)常會遇到這樣的問題。說起來，他的研究對象包括復(fù)雜的強關(guān)聯(lián)材料，例如高溫超導(dǎo)材料、自旋和電荷密度波體系以及豐富的磁有序材料等；還包括低維材料，例如薄膜、表面加工和處理、界面等?！霸诓牧现?，電子扮演著很重要的角色。材料中的電子在電荷、晶格、軌道、自旋等各種自由度的相互作用下，主導(dǎo)著材料的各種物理性質(zhì)，衍生出多種奇異的材料。而這些新奇的材料中，往往蘊含著對未來有深遠(yuǎn)影響的材料。我們利用多種研究方法，探索新的奇異材料，揭示其中的物理機理，尋找可以為人類社會服務(wù)的新型功能材料?！彼托慕忉尩?。一直以來，張焱和他的團隊利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)來研究這些材料中電子態(tài)的性質(zhì)。同時，他們通過結(jié)合單晶合成、薄膜生長和樣品調(diào)控等實驗手段，不僅可以誘導(dǎo)和優(yōu)化材料的物理性質(zhì)并探索新的功能材料，還為理論上理解這些材料物理性質(zhì)背后的微觀機理奠定堅實的實驗基礎(chǔ)。

在外人看來，這似乎是一個非常復(fù)雜的事情，事實上，這確實也是一個世界性的難題。但在張焱的眼中，卻充滿了樂趣?！鞍l(fā)現(xiàn)一種新材料的過程有點像調(diào)查一個案件的真相。當(dāng)我們試圖發(fā)現(xiàn)藏在材料背后的各種奧秘時，我們需要去尋找多方面的實驗證據(jù)，以探尋其奧秘的全貌。當(dāng)證據(jù)夠多的時候，我們可以做一些大膽的猜想，并設(shè)計一些有針對性的實驗區(qū)驗證我們的猜想。最終抽絲剝繭，得出最后的真相。”

材料推動世界的發(fā)展

人類歷史的車輪向前滾動離不開材料的發(fā)展，在張焱看來，探索并研究具有奇異物理特性的先進材料一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的重點。新型功能材料的研究和探索深刻影響著社會的進步，鐵和銅的冶煉及應(yīng)用推動了古代人類社會的發(fā)展，而近代硅基半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用更是使人類跨入了信息時代。從應(yīng)用角度來講，我們的社會就是在材料的基礎(chǔ)上搭建起來的。

張焱最近幾年研究比較多的是超導(dǎo)材料。鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)是凝聚態(tài)物理的一個重大突破。它不僅在科學(xué)研究方面意義重大，在社會應(yīng)用領(lǐng)域也是前景光明。“我們所熟知的超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)輸電電纜以及醫(yī)院里所用到的核磁共振等都是超導(dǎo)材料?！睆堨徒忉屨f，如果能夠讓超導(dǎo)電性在常溫常壓下實現(xiàn)，基于超導(dǎo)技術(shù)的各種產(chǎn)品，都將在廣泛應(yīng)用在我們的生活、生產(chǎn)之中。

早在博士研究期間，張焱就在導(dǎo)師封東來的指導(dǎo)下，對多個鐵基超導(dǎo)體系進行了細(xì)致的研究。在KxFe2-ySe2高溫超導(dǎo)材料中，他們發(fā)現(xiàn)其費米面結(jié)構(gòu)和其他所有鐵基超導(dǎo)體不同，并不具有中心的空穴型費米面。這樣的費米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顛覆了人們對鐵基費米面與超導(dǎo)關(guān)系的認(rèn)識。同時，他們發(fā)現(xiàn)KxFe2-ySe2的超導(dǎo)能隙具有各向同性的動量空間分布。這一結(jié)果被Nature Materials雜志選為該雜志建刊十年以來發(fā)表的二十個里程碑工作之一，也是中國唯一入選的工作。

他們還在Sr1-xKxFe2As2中研究了超導(dǎo)和自旋密度波的關(guān)系，第一次從電子結(jié)構(gòu)的角度上提出了超導(dǎo)與自旋密度波的共存，并對其后續(xù)的理論理解提供了實驗基礎(chǔ)。他們對鐵基超導(dǎo)磁有序態(tài)、向列相態(tài)和軌道性質(zhì)等方面也做了很多系統(tǒng)的工作，其實驗結(jié)構(gòu)闡述了鐵基超導(dǎo)體對稱破缺態(tài)下，電子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)特征。最后，他們還利用角分辨光電子能譜的偏振依賴特性，找到了在鐵基超導(dǎo)體中判定能帶軌道特征的實驗方法。這一實驗手段和方法，被后來多個實驗組借鑒。由于在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域突出的研究成果，張焱作為封東來老師團隊的一員，獲得了2015年國家自然科學(xué)獎二等獎。

“超薄材料也是尋找新型功能材料的一個重要的寶藏?！睆堨驼J(rèn)為，材料尺度的改變直接影響著材料的物理性質(zhì)。當(dāng)一個材料的厚度被縮小到幾個原子層，甚至于只剩一個原子層的時候，其性質(zhì)會有巨大的改變。在斯坦福大學(xué)開展博士后研究期間，他在導(dǎo)師沈志勛教授的指導(dǎo)下，利用角分辨光電子能譜研究了FeSe單層膜和多層膜中的多個物理問題。他們發(fā)現(xiàn)，在FeSe多層膜中存在著很強的向列序，并在這一向列序中，觀察到了電子結(jié)構(gòu)的非常規(guī)的重組現(xiàn)象，為理解向列序提供了重要的線索。同時，在FeSe單層膜中，他們觀察到了能隙的各向異性，并以此作為證據(jù)，獲得了判斷超導(dǎo)配對對稱性的證據(jù)。

欲善其事，先利其器

古人云：工欲善其事，必先利其器。要研究好材料的微觀性質(zhì)，角分辨光電子能譜就是一個強大的“利器”。由于直觀，它可以直接激發(fā)和探測材料內(nèi)部的電子，獲得樣品內(nèi)部豐富的信息，從而整理出整個材料線索的來龍去脈，為理論理解相關(guān)材料提供重要的實驗依據(jù)?！敖欠直婀怆娮幽茏V擁有著強烈吸引我的魅力?！睆堨捅硎?。

回國以后，張焱計劃在北京大學(xué)設(shè)計并建立先進的角分辨光電能譜實驗裝置。在溫度、能量動量分辨率、真空等方面達到國際領(lǐng)先水平的同時，基于最新一代的電子能量分析器，他將重點解決數(shù)據(jù)采集效率、數(shù)據(jù)可靠與重復(fù)性、數(shù)據(jù)采集空間等方面的問題。但由于這種復(fù)雜的大型設(shè)備目前并沒有成套設(shè)備和商用設(shè)備，他只好根據(jù)研究的需求自己完成系統(tǒng)搭建。

“一個做實驗物理的人，一定要熟悉自己的設(shè)備！”某位諾貝爾獎獲得者曾說。張焱非常認(rèn)同這一點，“就如同一個戰(zhàn)士一定要熟悉自己的武器，在戰(zhàn)場上才能做到彈無虛發(fā)。如果我們不能熟悉設(shè)備，就意味著肯定做不出世界頂尖的水平。只有熟悉設(shè)備，才能發(fā)揮出設(shè)備的最大效力，從而做出一些非常有重要意義的結(jié)果?！?/p>

當(dāng)然了，要從技術(shù)上達到世界頂尖水平，還必須要有創(chuàng)新。而要提出設(shè)計性的想法，就要突破已有的這些儀器上的限制，將設(shè)備性能提升到更高水平。張焱團隊正在搭建的設(shè)備就有幾個與眾不同的創(chuàng)新地方。其中之一就在于強調(diào)了測量的可重復(fù)性?！熬褪窍Ｍ?dāng)我們拿到一套完整數(shù)據(jù)的時候，每一次數(shù)據(jù)在采集時的實驗條件是完可重復(fù)的，這要求樣品的位置、溫度、所處的表面環(huán)境每一次都要精確可控?！睆堨拖蛭覀兘忉尩馈榇?，他進行了一系列特殊的設(shè)計，強調(diào)高度的可重復(fù)性，保證實驗條件完全一致，以達到實驗數(shù)據(jù)的完整采集。

“此外，就是要強調(diào)調(diào)控和測量緊密結(jié)合，在測量過程中完成調(diào)控。盡量保證在調(diào)控過程中，其他條件不會發(fā)生變化，以便使調(diào)控精度更高，更有指向性?！睘榇?，張焱團隊設(shè)計了獨特的樣品生長和調(diào)控系統(tǒng)，并計劃將其與角分辨系統(tǒng)通過超高真空連接起來，以利于進行原位生長、調(diào)控、測量等一系列研究。利用這樣的設(shè)備，張焱希望，在不久的將來，可以找到新的有用的功能材料，并理解其中的物理機理。

堅持源于樂在其中

算算時間，張焱回到國內(nèi)已經(jīng)一年多了，科研幾乎占據(jù)了他生活的全部。白天，他做設(shè)備搭建，探索和合成新的材料。晚上，他還要深入鉆研、寫文章，閱讀科研文獻。

當(dāng)談到國內(nèi)外科研環(huán)境的落差時，張焱表示，國內(nèi)科研界已經(jīng)在慢慢吸取國外的經(jīng)驗，科研氛圍和硬件條件與國際相比并不差。比如他所在的北京大學(xué)量子科學(xué)研究所，就洋溢著國際化氛圍。張焱笑稱，現(xiàn)代物理已經(jīng)不是牛頓和愛因斯坦的時代了，不會讓人有“高處不勝寒”的感覺?！艾F(xiàn)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，這個圈子不會寂寞。”他說。

同樣年輕的張焱，剛過而立之年，就已經(jīng)身為博士生導(dǎo)師，有了自己的學(xué)生。他們之間的關(guān)系亦師亦友。由于年齡上的差距不大，他們有共同的興趣和話題，可以無話不談。而作為老師，張焱也有嚴(yán)格的一面。他要求學(xué)生在科研時間上要充分投入，在知識儲備和實驗技術(shù)方面都要經(jīng)過千錘百煉。他特別提出，想要成為獨立的科研人員，就要具有獨立思考的能力，如果沒有這一點，只能算得上是一個純熟的技術(shù)工人，而稱不上是一名合格的物理學(xué)家。

面對著物理研究的枯燥，曾經(jīng)，導(dǎo)師封東來總是以一句話來鼓勵張焱——“科研不是簡單的辛苦堆砌，只有樂在其中的人才能堅持下去。”如今，張焱把這句至理名言又轉(zhuǎn)達給自己的學(xué)生，而他本人也是如此做的。他把每一次實驗都看做一場有意思的游戲，可能中途難免遭遇瓶頸，但是在發(fā)現(xiàn)問題、探索問題、解決問題的過程中，只要堅持下去就能感受有趣的材料，看到神奇的變化，最終得到答案，這每每讓張焱樂此不疲。

身為“探案迷”的張焱心中明白，在案件中，事情的真相只有一個。而在物理世界中，未知的材料會有千千萬萬，等待著他去發(fā)現(xiàn)、去破解。

做一名凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的“福爾摩斯”，是的，他已經(jīng)準(zhǔn)備好了。