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人物专访|华东师范大学袁翔研究员 ——拓扑量子材料的魅力
发布时间:2022-12-02浏览:627次

拓扑是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。那么,拓扑量子材料又是怎样的一种材料,具有哪些特性呢?本期《视点前沿》栏目组采访了来自华东师范大学的青年研究员袁翔老师,为大家分享他在拓扑量子材料中的最新进展。

 

 

 

强磁场与红外光谱结合,探索拓扑量子材料

袁翔老师课题组目前有7位成员,主要研究拓扑量子材料。"拓扑量子材料研究有很多方法",袁翔老师介绍道,"我们选择一条比较特色的方法,把拓扑量子材料研究跟强磁场和红外光谱结合,通过结合这两个很重要的实验技术,开拓了一个新的研究领域,可以解决一些现有的技术所不能研究的物理问题,我们此前的精力主要放在拓扑凝聚态的研究中,尤其是试图解决在不同维度下拓扑凝聚态物理效应的问题。比如说试图把量子化效应推广到三维,因为我们发现在不同的维度下凝聚态中准粒子的激发会出现一些很神奇的新效应。这是我们的研究兴趣所在,我们也试着努力把这个结合了强磁场和红外光谱技术进行推广并把这个领域开拓好。“

 

神秘的拓扑量子材料

拓扑是几何学中常见的数学概念,那当把拓扑和量子材料结合在一起的时候,会出现什么新奇的性质呢?袁翔老师用日常生活中常见的球和游泳圈的区别来对大家进行拓扑的科普。他说,“当大家去讨论一个球和游泳圈的区别的时候,我们知道这是两样不同的东西。但如果我们重新拿出一样东西,比如一个带把手的杯子,那情况就不一样了。杯子的把手上有一个洞,游泳圈上也有一个洞,如果这时候我们只是从洞的数量上去讨论这个科学问题的时候,我们会发现杯子和游泳圈是同样的东西。如果把杯子做揉捏的形变操作,只要不做减和粘贴的操作,只是对它进行形变,那你是可以把杯子变成一个游泳圈的。但是你却永远没有办法把一个球通过连续形变变成一个杯子。我们把这样的分类叫做拓扑。这是一种拓扑的分类方法,就是我们可以数数物体上有几个洞,我们就可以用拓扑去定义它们。对于物理学家来说,最重要的是不同的拓扑分类有不同的物理效应。比如像我们研究的拓扑物理凝聚态中,我们往往关注的是电子的相位,当电子相位在经历一些演化并回到原点的时候,我们去看相位变化的倍数并用这个物理量来定义拓扑。这有点像我们在几何上讨论一个东西到底有几个洞。所以这是在物理中电子相位或者是一些别的物理参数可以给我们提供一个类似的拓扑的定义,但是最重要的还是不同的拓扑分类在物理上有非常本质的物理区别和物理现象。一旦我们实行了拓扑分类,比如刚才所说的游泳圈,它对很多东西是不敏感的,比如有一些杂质的扰动,我们去捏一下动一下,它的洞会永远在当中,这个洞导致的物理效应全部还在,关键是特别稳定,所以它将来有很多的应用出口,比如说拓扑量子计算。我们也希望通过自己的努力,进一步更深入地了解拓扑。"

 

二维材料的超线性效应

很多人们关心的拓扑凝聚态的准粒子激发在层状材料中才有,而层状材料无论是在物理、器件应用还是在材料研究中都是特别受到关注的一个系统。袁翔老师的课题组在研究中发现有一类新型材料可以产生强烈的光电效应。一般情况下探测器的光电效率会随着功率的增强而降低。而在袁翔老师研究的层状材料系统中,他们发现随着随着光强的增加,光电导随功率的关系由亚线性变为超线性,在毫瓦量级的功率下,展现出指数达到1.5的强超线性。 “也就是说在强的光照下,材料的光电效率反而提高了。所以我们对这个有意思的现象很感兴趣。因为它可以在强光下提高光电转换效率,有可能会在光电器件上有更多潜在应用。"

 

加强校企合作,提升国家整体科研水平

    说到与卓立汉光的渊源,袁老师说可以追溯到他的学生时代。他在当学生的时候就与卓立和先锋有合作,自己搭建了系统,系统中很多组件也都是从卓立购买,接触最多的也是售前售后的工程师,袁老师谦虚地说他这些年也与卓立的工程师团队一起在成长,也向卓立学习了很多硬件的知识。而对于国产仪器,袁老师表示非常支持,“虽然国外仪器虽然对我们科研也很重要,但是我也看到国外仪器有一些不合理的地方。我希望国产仪器性能提升一方面对我们的科研起到更重要的作用,可以降低科研的成本,从另外一个角度说能增加我们可以做的事情,可以有更多的研究人员投入,这对我们非常重要。从另外一个层面看,国产仪器的发展也代表了我们国家科研水平的一个层级。而我也在做一些简单的仪器研发,从我自己来说,如果国内可以买到的,我一般会优先支持国产设备,因为我希望不论是仪器厂家还是科研人员,需要通过相互合作来增强彼此的竞争力,虽然现在我们很多地方还在追赶国外的先进技术,但是我觉得已经看到了要赶上的趋势。所以让我们继续保持合作,把国产仪器做得越来越好。"

 

结束语

愉快的访谈结束,印象特别深刻的就是袁翔老师用球和游泳圈的类比为我们深入浅出的科普了拓扑量子材料的概念,让我们感受到科学真的是源于生活,而又高于生活。低维材料的魅力在于它能产生许多新奇的性质,比如袁老师提到的超线性光电响应,超高电导率,特殊表面效应,量子尺寸效应等。我们也期待袁老师课题组后续在拓扑量子材料研究领域的开拓上有更多新的成就。

 

 

袁翔,复旦大学物理系博士,加州大学伯克利分校联合培养博士,现任华东师范大学青年研究员、博导。主要从事拓扑量子材料的强磁场特性研究,致力于对拓扑半金属开展强磁场红外光谱、电输运等物理性质的联合探索,同时兼顾拓扑纳米应用器件。在SCI学术期刊发表论文30余篇,其中以第一或通讯作者发表Nature 1篇,Nature Materials 2篇,Nature Communications 2篇等,部分论文获ESI高引。


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