85后科学家来袭:这个大男孩有点可爱

来源: 发布时间:2017年08月07日

这几周里,随着论文《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》在《科学》杂志上的刊发,“天使粒子”的概念被反复热炒。


到底是怎么回事?


万能的小编找到了该论文的共同通讯作者寇煦丰,他全程参与了该实验。


“我们通过人工调控电子的方式在二维空间中观测到了手性马约拉纳费米子的量子态,且在不同的样品中实现重复观测。”寇煦丰讲话声音洪亮且语速极快,一不留神就完全跟不上他的思路了。


关键点在于人还比较帅!可能小编只注意看了脸。。。。ORZ

 

▲寇煦丰,帅吧?牙好白 


在实验中,由UCLA带领的团队观测到了物理学家寻找了80年之久的马约拉纳费米子存在的证据。寇煦丰反复强调:“这一发现可能为控制马约拉纳费米子,进而实现拓扑量子容错计算提供了一条新的途径。这次实验的成功是建立在此前一系列工作的基础上,所以并不能算作是一个开天辟地的工作。”


所以媒体界那些“天使粒子”啦“诺贝尔奖”啦什么什么的,各位看官就看看算了吧,做科研还是得脚踏实地、认认真真!


事实上,大约十年前,凝聚态物理学家们意识到可以在人造材料中利用电子的集合行为来模拟马约拉纳费米子的行为。于是,一场找到这种准粒子的“竞赛”在学界拉开了帷幕。


不好意思,此处小编要强行插入一段人物介绍:


寇煦丰1987年3月生,今年只有30岁。人家已经是助理教授,而且娃都快会打酱油了……能和人从粒子、量子一直聊到古典政治、清军入关乃至台海关系,脑洞够大。也喜欢听五月天和拉赫马尼诺夫,逛豆瓣、看历史书,打趣地称自己的导师为“老板”,典型邻家大男孩!


2016年,从UCLA学成归国并加入了上海科技大学,成为该校信息科学与技术学院的助理教授。


感觉不是一点点的彪悍啊!

曾经也是一只实验狗


(小编开启正经模式了)


寇煦丰刚从实验室里回来,喝下几口水随即开启了科普模式。


“受到物理与工艺极限的制约,缩小集成电路的尺寸已经越来越难延续‘摩尔定律’。那么我们能不能换个思路,找到一种新的信息传播媒介,使得电子在其中的运动速度加快,同时将其功耗降到零呢?”寇煦丰说,这个就是拓扑绝缘体——基于这类新材料,信息的传递可以通过电子的自旋,而不像传统材料通过电荷来传递。


但它能不能大规模应用于低功耗电子芯片的开发,最初谁也不知道。


2009年,加州大学洛杉矶分校王康隆教授团队开始了关于拓扑绝缘体的研究。


2010年,刚从浙江大学完成本科学习的寇煦丰加入其中。

▲寇煦丰与导师在上海科技大学的合影 


他的美国生涯是在实验室中度过的。


在之前的实验中,这些准马约拉纳费米子都是被“束缚”的——它们被困在零维空间,而不会在时空中传播;而且人们也很难确认这些痕迹是不是也有其他效应的作用。


“我们那时候真的算是白手起家啊!”寇煦丰说。当时,加州大学洛杉矶分校王康隆教授课题组并没有专门用于拓扑绝缘体生长的实验设备,因此只能从对老旧仪器的改造入手,逐步搭建起一套完整的实验设备。


而跑道上的竞争者很多。


“每天看着这个领域最新的研究结果不断涌现,我们只能埋头努力追赶。”寇煦丰说,5年的时间里,他和同事们泡在实验室里不断尝试和优化生长条件,至今已累积生长了3000多片拓扑绝缘体薄膜。


为了探索拓扑绝缘体的更多潜能,王康隆教授的团队又将超导材料加入其中。“超导材料本身不喜欢磁性,而产生量子反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体本身又自带磁性,这个矛盾怎么解决呢?”寇煦丰说,他们只能不断调节和优化材料参数,通过实验反复验证。实验仪器每隔十分钟便需要重新调整参数,寇煦丰寸步不离实验室,在仪器工作的十分钟之内,他便开始看书,等到实验结束,书也看了一打,“实验突破没有别的捷径,只有不断犯错。”


最终,实验凭借铌这种金属材料与超薄磁性拓扑绝缘体的结合,UCLA的团队在这一人工体系中形成了拓扑超导态,并在随后的电学测量实验中成功观测到了表征一维手性马约拉纳费米子的半整数量子电导。寇煦丰说,国内外之前的工作主要集中在对零维度马约拉纳基模的探测上,而他们是首次在二维空间中观测到了一维度的手性马约拉纳费米子的量子化行为,从而提供了该粒子存在的直接证据。


“这个实验工作很清楚证明了马约拉纳费米子的存在。”曾获得2004年诺贝尔物理学奖的麻省理工学院教授弗兰克·维尔泽克在评价这一工作时说:“最大的亮点在于成功地将许多看似不兼容的关键元素集成在一起,同时通过材料体系的优化成功捕捉到了这种新粒子的量子态,着实是这个领域的一个突破性工作。”


工程师情结


“这的确是我参与做过的最漂亮的实验。”采访期间,寇煦丰回忆起当时的场景说,随即话锋一转,“但我是做工程的人,工程师讲究以最少的代价做最大的事。”


与纯粹追求理论突破不同,寇煦丰的目标在于工程运用。如果仅仅能在实验室中造出马约拉纳费米子,对于整个工程应用来说还远远不够。为了能将实验结果落地,在实验过程中,寇煦丰不断思考着如何提高实验结果的可重复性以及可生产性,并逐渐摸索出了一套材料优化的工艺技术。


实验用的3000片样本每一片的表面都经过了特定处理,“平均每生长10片薄膜晶元片,我们能有7片以上的样品都可重复实现实验结果,稳定性很高。”寇煦丰说。


这种工程学的思想也被寇煦丰带来了上海科技大学,眼下学校与张江高科技园区集成电路领域的几家公司合作成立了产学研结合的微电子中心,主要任务就是推动新型半导体材料在高速低功耗芯片方向的应用。


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“在集成电路领域,大家都说‘弯道超车’,而我认为‘换道超车’更合适。怎样将我们研发的低功耗器件与中国现有的生产能力匹配起来,是我未来工作的重点。”寇煦丰说,“我们学校的学术氛围非常自由,从不以职称、论文招贤纳士,但凡是科研需要,学校都会支持。我就怕我做不出成绩!”


爱请客的教授


采访结束前,寇煦丰带着记者参观了他引以为豪的实验室:仪器设备正搭着架子,工作人员忙着调试,“过几天就能用啦!”寇煦丰激动地说。


沿途遇到学生,他总热情地招呼。若是在学校的便利店偶遇了学生,寇煦丰总抢着买单。(吃穷他!)今年30岁的寇煦丰也没有比自己的学生年长几岁,仍然像个大孩子似的和学生们打成一片。


“我很爱我的学生。”寇煦丰说,除了做科研,平时寇煦丰一周有3天都在备课。寇煦丰喜欢在夜深人静时分打开一首钢琴协奏曲,开始在脑中构思学术内容,“一旦开始落笔成文,停也停不下来。”


路上,一个同事走过,寇煦丰搭着他的肩头说:“走,要不要去看看我的实验室?”


(好了好了,谁都知道你有实验室了,别瞎高兴了。寇老师,我们还是一起去便利店买吃的吧,哈哈哈)