祁曉亮: 我的拓撲絕緣體之路

2021-01-16 中科院物理所

2015年11月9日，科學界第一巨獎「科學突破獎」在美國加州聖何塞揭曉。華人物理學者祁曉亮以其在凝聚態物理學方面做出的貢獻而獲得「物理學新視野獎」。同時獲獎的還有麻省理工學院物理系助理教授傅亮等。祁曉亮先後跟隨翁徵宇和張守晟兩位名師，並成為了史丹福大學歷史上最年輕的助理教授之一。請聽他講述自己的成長故事。




　　高一時，我在學校的圖書館看了一些關於物理學的科普書籍，涉及到基本粒子、宇宙學等方面的內容，我非常著迷，馬上就去找了一些物理和數學的大學教材來讀，讀得越多越覺得自然的奧秘妙不可言，仿佛進入了一個完全不同的世界。從那時起，我就決定了要把理論物理作為一生從事的事業，因為那種「一見鍾情」的感覺非常明確。


　　1999年，我考入清華大學基礎科學班。基礎科學班為我們提供了優秀的課程、充滿熱情的學術氛圍，以及從大三開始就加入研究組做科研的優越條件，這讓我受益頗多，並一直心存感激。



　　2003年本科畢業後，我在清華大學高等研究中心（現已改名為高等研究院）師從翁徵宇教授攻讀博士學位，研究方向是高溫超導理論。高等研究中心的學術環境自由寬鬆而又活躍，每年都會有很多訪問教授來中心作報告和進行學術交流。翁老師總是鼓勵我們和來訪問的教授們多討論、合作，給我們極大的自由度選擇自己感興趣的研究方向。


　　2004年，在我讀博士的第二年，美國猶他大學的吳詠時教授在高等研究中心訪問了半年，並且主持了2門課程。受到跟吳老師的討論的啟發，我對自旋電子學產生了興趣，並且學習了張首晟教授關於自旋電子學的論文。




　　帶著對自旋電子學這一領域的興趣，2005年初，我在吳詠時老師和我的同學許岑珂（現任教於加州大學聖巴巴拉分校）的引薦下結識了張首晟老師。那一年，我和吳老師、張老師一起合作完成了我在量子自旋霍爾效應方面的第一篇論文。從這篇論文開始，我開始在張首晟老師的指導下，一步步走入拓撲絕緣體這個全新的領域。在這個領域中，拓撲學和簡單的絕緣體物理的結合即將帶來許多奇妙的新發現。




　　2007年初，我博士畢業後來到史丹福大學，跟隨張首晟老師做了2年多的博士後研究。期間，我在張老師指導下系統地研究了拓撲絕緣體的物理性質，並進一步把拓撲絕緣體推廣到拓撲超導體等新的拓撲量子態。


　　當時，我們研究的一個主要目的是要找到拓撲絕緣體之所以區別於其他材料的獨特性質。經過半年多的努力，我和張老師以及張老師的學生休斯（Taylor L. Hughes）終於從拓撲絕緣體的微觀理論中得到了正確的拓撲量子場論描述。我們意外地發現，發展場論描述給我們帶來的新知識比我們最初想像的要多很多。我們的理論可以直接應用到任意的空間維度，因此我們將此前對二維和三維拓撲絕緣體的理解推廣到了任意維度和具有不同對稱性的系統。我們的理論也預言了拓撲絕緣體的獨特物理性質——拓撲磁電效應。




　　在這2年多的時間中，我們還和合作者一起，廣泛地研究了拓撲量子態領域的各種問題，如提出了三維拓撲超導體的概念，預言了硒化鉍等拓撲絕緣體材料，等等。


　　對我來說，博士後工作的這2年多是非常充實、非常愉快的時光。這段經歷對我的重要性不僅是做出了一系列的研究成果，更重要的是在研究過程中，耳濡目染地向張老師學到了各種科研經驗，讓自己逐漸成長為一個相對成熟的科研工作者。




　　在博士生時代，我的主要興趣在於理論上的思考，對具體材料的細節了解很少，也不太感興趣。在拓撲絕緣體的研究中，張老師帶領我們跨越了截然不同的研究領域。從高能物理中的場論甚至弦理論，到某一材料中電子軌道的細節，都常常成為張老師組會上的話題。對於我們大家都不太熟悉的半導體材料，張老師帶著我們一起，一步步地獲得對材料性質的深刻理解，並且由此得到新的想法。


　　經過這幾年的研究，我們成功地預言了幾種重要的材料，我也消除了自己心理上理論概念和實際實驗材料之間的鴻溝。我慢慢理解到：尋找理論概念在實際材料之中的實現，不僅有其本身的重要性，而且對於真正理解這個理論概念也是十分重要的。純理論的探索和對實驗的預言就像理論物理學家的兩隻腳，必須用兩隻腳走路才容易把握方向。


轉載自公眾號知社學術圈，原文轉載自神州學人網，圖片源於網絡


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