常翠祖:2000個失敗樣品之後,他成為全球實現量子反常霍爾效應第一人 | 35歲以下科技創新35人榜單人物專欄

2021-01-16 DeepTech深科技

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2019年1月21日，《麻省理工科技評論》公布了2018年「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）中國區榜單。從榜單中，我們看到更多中國創新科研力量的崛起，也看到跨學科、跨領域、並且對落地應用有更強烈企圖心與使命感的科研創新，這其中涵蓋人工智慧研究與應用、NLP、腦科學、新材料、新能源、生命科學、生物科技、自動駕駛等多個不同領域。我們將陸續發出對35位獲獎者的獨家專訪，介紹他們的科技創新成果與經驗，以及他們對科技趨勢的理解與判斷。


關於Innovators Under 35 China榜單

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）榜單，旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家，共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017年，該榜單正式推出中國區評選，遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆榜單正在徵集提名與報名，截止時間2019年5月31日。詳情請見文末。



一直以來，半導體材料都是集成電路最基本的組成部分。但是，隨著晶片尺度的不斷縮小，半導體材料的能量耗散已成為當代電子學領域的主要挑戰。要解決這一問題，就必須採用低能耗甚至零能耗的新型材料來製作集成電路從而使整個系統的能耗降至最低。於是，探索能夠替代半導體材料的新型材料便成為了凝聚態物理學家的主要研究使命之一。

2016年榮獲諾貝爾物理學獎的研究—拓撲物質態之一，拓撲絕緣體，就是能夠製作低能耗集成電路首選材料，已成為近年來凝聚態物理領域研究的熱點。拓撲絕緣體的表面導電，內部體態絕緣，在拓撲效應的保護下可以實現表面電流的低能耗傳輸。理論物理學家預言，通過在拓撲絕緣體中摻雜磁性原子可以在不需要外加磁場的情況下實現量子霍爾效應，也就是量子反常霍爾效應。在量子反常霍爾效應中，利用材料內部自身磁場的激發便能產生零耗散邊態電流。


2013年，年僅28歲的常翠祖是清華大學著名物理學家薛其坤院士的一名博士生，憑著對物理的直覺和執著，經過四年的不懈努力，終於在國際上首次製備了具有量子反常霍爾效應的磁性摻雜的拓撲絕緣體材料，並在實驗中首次觀測到了量子反常霍爾效應。這一工作發表在2013年初的 Science雜誌上，並且被2016年諾貝爾物理獎的官方報導詳細介紹。憑藉著這樣一項重要的研究成果，常翠祖博士在國際凝聚態物理學術界一鳴驚人。他的導師薛其坤院士，已故史丹福大學的張守晟教授，諾貝爾物理獎獲得者楊振寧先生都表示，這是一項諾獎級別的研究工作。在讚譽和榮譽的背後，只有作為實驗骨幹人員的常翠祖知道在這條道路上經歷了多少挫折，付出了多少努力。

常翠祖在採訪中表示，在實驗中實現量子反常霍爾效應必須滿足三個條件：首先，拓撲絕緣體材料的厚度必須控制在4-5納米之間；其次，該樣品必須通過磁性離子摻雜來實現鐵磁效應；第三，樣品的體態必須處於絕緣態。這三個條件缺一不可，但同時達成這三個條件非常困難，打個比方就是一個人「既要有姚明的高度，又要有博爾特的速度」。常翠祖從2008年開始研究這一課題，先後製備了2000多個樣品，無數次的失敗也讓他曾經產生過懷疑，也曾經想過要放棄，但是對物理的熱愛和執著以及不服輸的精神讓他堅持了下來，並最終在2012年10月12日第一次在實驗中觀測到了量子反常霍爾效應。常翠祖說，四年的研究歷程基本上是上半年修儀器，下半年做實驗，期間解決了一個又一個的難題，在這個過程當中他也取得了其他很多很有意義的成果，這些成果所發表的論文足以滿足博士畢業的要求，而量子反常霍爾效應的最終實現算是對自己四年努力的一個肯定和獎勵。


（圖片來源：常翠祖）


常翠祖的實驗成功後，中國科學家首次觀測到量子反常霍爾效應的新聞被央視新聞聯播和焦點訪談報導，也引起了全球學術界的廣泛關注，可他本人卻並不想止步於此。此前實現量子反常霍爾效應的溫度為30毫開爾文，也就是說非常接近於絕對零度（零下273攝氏度），如何提高量子反常霍爾效應的工作溫度成為新的挑戰。常翠祖博士畢業之後到世界著名學府麻省理工學院（MIT）繼續從事量子反常霍爾效應的研究工作。在博士後期間，他在量子反常霍爾效應領域又取得了重大突破——他採用先前張守晟教授和中科院物理所方忠教授理論預言行不通的釩摻雜拓撲絕緣體薄膜，在這一個新的體系中實現了性能更優異的量子反常霍爾效應。在釩摻雜拓撲絕緣體體系中，邊態電流達到了真正的零能量耗散。到今天為止，能夠實現量子反常霍爾效應的僅有的兩個體系都是由常翠祖在實驗上首次實現的。


四年的博士後研究結束之後，世界上許多頂級研究機構向常翠祖伸出了橄欖枝，經過深思熟慮之後他最終選擇了以凝聚態物理見長的賓夕法尼亞州立大學。常翠祖於2017年2月成為賓夕法尼亞州立大學物理系一名助理教授，並迅速搭建了自己的實驗室並組建了自己的研究組。他通過構造新型的量子反常霍爾結構，於2018年在實驗中觀測到了一種叫「軸子（axion）絕緣體」的新型拓撲物質態。軸子絕緣體態由2004年諾獎得主Frank Wilczek於1987年首次在粒子物理中提出，它在凝聚態物理中的實現對物理學領域內任意子（既不是費米子也不是玻色子的粒子）的研究具有重大意義。

常翠祖在學術界已具備了一定的學術聲望，成為實驗凝聚態物理領域的一顆明星。他在國際頂級學術期刊上發表論文60餘篇，其中第一作者和通訊作者的文章包括 Science 2篇、Nature Materials 1篇、Physical Review Letters（物理評論快報）8篇。他應邀在國際會議和包括哈佛、劍橋、斯坦福、哥倫比亞在內的世界著名高校做過30多次學術報告，其中包括4次在美國物理協會（APS）的三月會議（March Meeting）做邀請報告。同時他獲得了包括Dimitris N. Chorafas FoundationAward（2013）; International Union of Pure and AppliedPhysics (IUPAP) Young Scientist Award (2015)；ArmyResearch Office (ARO) Young Investigator Award (2018)； Alfred P. Sloan ResearchFellowship（2018）和 National Science Foundation (NSF)CAREER Award（2019）在內的多個學術獎項。

常翠祖將繼續在賓夕法尼亞州立大學從事低維拓撲材料和量子反常霍爾效應相關的研究，他目前的研究目標是通過發現新的拓撲材料和構造新的量子結構把量子反常霍爾效應的實現溫度提高到液氮溫區。常翠祖表示，如果量子反常霍爾效應跨過了液氮溫度這一大關，將徹底解決人類社會對於低能耗電子元器件的需求，從而實現人類夢寐以求的量子計算機。


-End-


【正在報名】

2019年《麻省理工科技評論》「35歲以下科技創新35人」評選正在報名中，歡迎各位提名、報名參與！掃描二維碼查看詳情，截止時間：2019年5月31日。

【諮詢郵箱】

tr35@mittrchina.com



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