——记南京大学物理学院教授张翼
　　
本刊记者　徐芳芳

　　
　　
　　百万年来，人类相继走过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代……直到20世纪50年代，半导体材料开始应用和发展，人类进入信息时代。人们逐渐意识到，先进材料对于高技术发展的重要作用，于是材料科学就此诞生。
　　2015年，张翼入选“青年千人计划”，回到南京大学物理学院工作，并在材料科学领域不断开拓创新。他说：“材料科学走在人类最前面，我们要时刻保持灵敏的嗅觉，引领材料的发展方向，我就是一个探路者。”
　　
知之者不如好之者
　　
　　中学时期，张翼在物理学方面的天分使他脱颖而出。在高中物理老师的指导和鼓励下，他对物理投入的学习时间越来越多，兴趣也越来越浓厚。他说：“每个人都有自己的兴趣，一旦发掘出来，经过慢慢培养，兴趣便会放大。”
　　在兴趣的驱使下，张翼在物理学上越走越远。他参加了高中物理竞赛，一路过关斩将，最终获得第18届全国中学生物理竞赛决赛一等奖，并被保送到北大物理系。
　　大学时光总是匆匆而逝，临近毕业时，张翼也曾感到迷茫。尽管一如既往地热爱物理，但他不确定是否应该选择科研这条道路。“毕业时，班主任针对我们的性格特点，在毕业纪念册上为每个人写了一句寄语，他希望我成为班里的第一名院士。”
　　这句寄语张翼一直铭记在心，老师的期望使他对物理科学研究的追求更加坚定。2006年，大学毕业的张翼在中国科学院物理研究所继续深造。5年时间里，他相继获得中国科学院物理研究所所长表彰奖、优秀奖，中国科学院院长优秀奖。
　　张翼优秀的科研才能在博士期间便展现出来。他首次观测到了拓扑Bi2Se2薄膜在厚度小于6层时，由于上下表面态耦合而产生的能隙打开现象，并对该现象给出了清晰的物理图像和理论解释。此项工作以第一作者发表在Nature Physics上，使人们对拓扑绝缘体和其相关物理现象的认识和理解前进了一大步，在国际上引起巨大反响，并入选2010年“中国百篇最具影响国际学术论文”。
　　博士毕业后，他作为美国劳伦斯伯克利国家实验室和SLAC国家加速实验室的联合博士后在伯克利实验室先进光源（ALS）从事博士后研究。
　　2010年12月，我国“青年千人计划”正式启动，这为张翼回国提供了很好的平台。2014年5月，南京大学物理学院对张翼进行了面试。专家一致认为，他是一位接受过优秀科学训练和具有独特创造力的年轻科学家，是拓扑量子物质和低维材料研究领域年轻学者中的佼佼者，完全具备成为该领域学术带头人的成长潜力。
　　回国后，张翼一直筹备着新实验室的建设及设计、购置和搭建所需要的仪器设备与原材料，进行初步的安装与调试。“实验设备一旦安装完成后，我就可以围绕这些材料继续做研究。我一直保持着这方面的关注，经常与做理论研究的学者交流讨论，看是否有新的材料出现。”
　　
行走在材料科学前沿
　　
　　半个多世纪以来，传统半导体工业的发展极大地改善和影响了人类生活的方方面面，并成为第三次科技革命的最典型代表之一。随着器件尺寸的不断缩小和集成度的不断提高，传统半导体工业早已面临着高功耗、低效率、量子尺寸限制等种种问题。人们迫切需要全新的理念来对传统半导体工业进行革新。
　　“自从石墨烯研制出来，很多二维材料也出来了。人们发现当物质从三维降低到二维或者更低的维度时，其电子结构等物理特性会发生极大的变化并产生许多非常有趣的物理现象。它有着许多应用前景，在研究方面也延展出一个新的方向，即通过研究新材料的物理性质，看看有没有可能在电子学或者其他可以想象的器件上有应用前景，而以前只是将各种材料组成单晶，或者探索不同的新材料。这是一个非常基础和前沿的课题。”
　　研究新型量子材料在量子限制效应下的新奇物理现象，探索和控制多种量子材料与低维材料组合后的新结构、新物态与新功能是张翼的主要研究兴趣。他主要运用分子束外延技术和角分辨光电子谱技术，再结合其他技术和测量手段。
　　“分子束外延技术的历史比较悠久，它的一个重要特点是在超高真空环境下进行，相对于其他材料生长技术来说，得到样品的纯净度和质量是最高的。而角分辨光电子谱技术的最基本原理就是爱因斯坦的光电效应，光打到物质上，就会激发出电子。打出电子的数量、飞行角度和速度包含了它的强度、动量及能量等丰富的信息。因为入射光子的能量和偏振状态都是可以确定的，电子出来的状态也可以通过能量分析器来确定，通过量子力学复杂的公式计算后就可以反推出电子在材料内部的具体状态，以及电子在材料内部与其他粒子的相互作用等信息，这就是所谓的材料电子结构。”
　　博士后期间，张翼在美国劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的角分辨光电子谱线站上独立设计并搭建了一套原位的分子束外延生长系统，利用该系统，他首次成功制备了大面积高质量二维过渡金属硫化物MoSe2单晶薄膜，薄膜的高质量确保了他能够通过原位的角分辨光电子谱得到非常清晰和明确的电子结构，并给出了能带结构、带隙类型随着层厚变化而演化的直接实验证据。高质量单层MoSe2的制备为将来进一步的光学特性研究、输运性质研究和器件制备提供了材料基础。该成果以第一作者发表在2014年的Nature Nanotechnology上。
　　此外，通过分子束外延技术，张翼首次实现了拓扑半金属Na3Bi单晶薄膜的生长。该薄膜的成功制备为将来通过原位覆盖惰性保护层，从而实现样品在大气环境中进行转移和测量提供了可能和实验基础,同时也为相应的薄膜器件制备提供了材料基础。该成果以第一作者发表在2014年的Applied Physics Letters上。
　　
在创新路上永不停步
　　
　　开展新材料的低维可控生长并结合原位物性测量研究，不仅需要对分子束外延、角分辨光电子谱、扫描探针显微镜等大型联合仪器设备进行设计和搭建，还要具备相关大型仪器高水平使用、维护的经验和能力。
　　张翼总结道：“从事科研，我觉得最重要的是不断学习的能力，不断地接受新事物。从事我们这行研究，学的东西很多很杂，所以有需要就得学，这是最基本的技能。”
　　除了在技能上不断学习，张翼认为，一个合格的科研工作者必须要有足够的好奇心。“各个方面的知识都要弄明白，强烈的求知欲才能够支持你一直做下去。”这也是他对团队成员的要求之一，“人类最前沿的探索走到了哪一步？我还能往前走多远？如果没有这样的想法，进入研究组很难做出很大的贡献。”
　　虽然回国不久，张翼早已对未来做好了规划。他告诉记者，开发新材料、新结构，研究和理解材料的物性并对其进行精细控制，制备基于新颖物理原理的电子、光电子、自旋电子及新能源器件，是我国突破高技术瓶颈、赶超发达国家的关键。
　　“我的研究思路是通过发展一套具有国际顶尖水平的分子束外延技术，来实现高质量的具有特殊结构的量子材料、低维和纳米材料的精细可控生长；然后利用高水平的角分辨光电子谱、扫描探针显微镜、电输运测量等一系列先进的原位测量手段，来对样品的生长动力学、电子和自旋结构等一些物理特性进行探测和研究。通过对新材料的生长动力学、物理现象和机制的理解和掌握，反过来进一步改进和发展相关新材料的生长制备技术。进而期望实现一系列科学上的重大发现和技术上的重大突破，开发出一系列全新的量子材料，并为国家打破国外在半导体工业的垄断地位、在相关高技术产业的突破奠定坚实的物理基础。”
　　新型材料未来的发展方向如何？张翼也无法给出答案，他说：“半导体出现以前，谁也想不到半导体会有这么大的发展。哪一个未来可能成为革命性的材料，谁也不能确定。这是一个充满未知的科学领域，你完全不知道会发现什么，只能根据实验结果来看，重要的实验往往都是意料之外的发现。”凭借着深厚的实验功底与实验技能，独到的观点和想法，张翼在未来将创造无限可能。