□　汲晓奇
　

　
　　
　　物理学的研究是大至宇宙、小至基本粒子等一切物质最基本运动和相互作用的规律。因此，物理学成为其他各自然科学学科的重要研究基础之一。凝聚态物理作为物理学的一个重要分支，因其为未来世界的应用带来无数潜在的可能性，而成为当今物理学最前沿的研究对象之一，也成为世界各国科学家竞相追逐的目标领域。
　　“近年来，凝聚态物理的快速发展，使各种新材料和新物理现象不断被发现，如在超导方面，近些年来铁基超导材料的发现和研究，开启了高温超导的另一扇大门，为超导应用和机理研究提供了近千种新材料；新能源材料方面，锂离子、钠离子、铝离子等各种固态电池的发现，使电池寿命和储能效率更高......这些如洪流般不断涌现的研究结果标志着凝聚态物理的发展正进入‘井喷’的时代。然而，这并不表明凝聚态物理领域的难题都被攻克了，相反，当前凝聚态物理仍有很多困惑，要进一步使凝聚态物理研究成果转化为现实生产力，还需要众多物理学家进行更深入的研究。”复旦大学先进材料实验室青年研究员闫亚军说。
　　作为物理学的忠实粉丝，闫亚军从小就对物理学饱含浓厚的兴趣，对物理科研充满向往。现在，闫亚军已走在了自己的理想之路上，在凝聚态物理领域的超导材料、拓扑绝缘体等方向上不懈探索，解开了一个又一个物理学谜题。她说，对基础物理研究而言，除了需要勤奋努力外，还需要长年的坚持不懈。现在她正处于科研的“黄金期”，她得再加一把劲，交出属于自己的“代表作”。
　　

追寻拓扑超导之光

　　你是否还记得电影《阿凡达》中一座座悬浮在云端的哈利路亚山？
　　那一座座大山之所以能够悬空，是因为山中蕴藏着一种神奇的室温超导矿石，它借助母树附近的强大磁场“托起”了哈利路亚山。
　　作为20世纪初最重大科学发现之一的超导，自1911年发现以来，无数科学家被其神秘特质所吸引。“超导指的是某些材料在温度降低到某一特定温度的时候，其电阻突然消失为零且外部磁场被排出体外（完全抗磁性），而同时具备这两种特性的材料被称为超导体。”闫亚军说，有了这种材料后，电路中电流消耗的焦耳热量为零，这能极大地提高电流利用效率；而强大的抗磁特性则可以用于超导磁悬浮，使利用此技术的列车比高铁还要高速安全稳定得多。此外，超导体还在科学研究、信息通信、工业加工、能源存储、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景。
　　然而，目前大多数超导体仅在接近绝对零度的温度下工作，即使是高温超导体也只存在于相对绝对零度的高温：-140℃。实现超导应用必须依赖于昂贵的低温液体——如液氦等来维持低温环境。这导致超导应用的成本急剧增加，并且维持低温的成本甚至远远超过了材料本身的价值。因此，真正在室温下实现超导的应用与弄清楚为什么材料会出现超导现象，吸引着全世界无数物理学家甘愿为之攀登终生。这同样也是闫亚军一生攀登追逐的目标与动力所在。
　　为掀开超导材料的神秘面纱，在博士期间，闫亚军就对铁基高温超导材料、低维磁性材料以及拓扑绝缘体等体系的材料合成和物性进行了深入研究，并在研究中积累了丰富的经验。博士毕业后，闫亚军加入复旦大学物理系开展博士后工作。在工作中，闫亚军结合扫描隧道显微镜继续探索超导材料。在这基础之上，在上海晨光计划“拓扑超导体的扫描隧道显微学研究”项目中，闫亚军利用极低温扫描隧道显微镜（STM）为手段，通过实验去寻找可能存在的拓扑超导体，并为其存在提供有力的证据。
　　“拓扑”在数学上是一个描述全局性质的概念。当一个物体在未被撕裂的条件下，任何拉伸、扭曲或连续形变都不会改变其拓扑性质特性。在物理上，拓扑绝缘体的概念首先被提出，它的体内仍然是能隙打开的绝缘体，但是它的表面或者边缘受拓扑性的保护能隙闭合而表现出金属性。超导体中也有能隙，且能隙下方的态被完全占据，因此超导体也能用拓扑不变量进行分类。最近几年，拓扑超导体的研究是凝聚态物理研究的前沿方向之一，人们不仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中应用抱有希望，而且看好其在未来量子计算机方面的应用。但是由于拓扑超导材料的稀少以及实验和理论研究的局限性，现在拓扑超导体的研究还处于起步阶段。
　　“在物理学界，一个通过理论推导出的结论必须通过实验验证才能被承认。没有实验证实，便不能称之为‘发现’。要证明拓扑超导体的存在，必须通过实验的验证。”闫亚军告诉记者，检验拓扑超导体的方法之一是探测到无能隙的金属性边缘激发态，即寻找Majorona费米子存在的证据。但由于可能的拓扑超导材料的临界温度普遍较低等原因，对它的研究进展缓慢，现有的拓扑超导的工作也存在较大争议。为找到更多直接的实验证据来证明拓扑超导体的存在，在项目中，闫亚军以STM作为研究超导体表面电子态和超导电性的有力工具。她说，STM是目前研究超导材料的最有力的手段之一，已在铜基、铁基等非常规超导体和拓扑绝缘体表面态的研究中起到了非常重要的作用。STM可以运行于极低温，有非常高的实空间和能量分辨率，它不仅可以观察样品表面原子结构、测量样品局域态密度，还可以通过准粒子散射成像获得动量空间的电子态信息。同时，STM的高实空间分辨率使其可以直接探测到超导磁通中心的束缚态、二维体系的边缘态及一维体系的端点模，这也是采用STM研究低维拓扑超导体边缘激发态的重要优势。更为重要的一点是STM能够探测超导配对对称性，而目前的理论和实验研究发现“拓扑超导体大多数情况要靠p波对称才能实现。确定体系是否有p波对称是验证拓扑超导体存在的重要判据”。
　　因此，在项目中，闫亚军以极低温矢量磁场STM，结合分子束外延生长对拓扑超导体展开研究，希望获得掺杂Bi2Se3类超导体的电子结构和超导能隙结构，包括超导能隙的各向异性和配对对称性等；实现强自旋轨道耦合材料和超导体形成的异质结构，探索其中的拓扑超导电性；此外，还将尝试利用MBE生长得到RuO2终止面的Sr2RuO4薄膜和或单层RuO2面，给出判断其是否为拓扑超导体的微观证据。总之，闫亚军将关注一些可能的本征拓扑超导材料和人工拓扑超导异质结构，对其中的超导电性进行更为直接的微量观测，寻找拓扑超导体存在的更直接的证据，理解拓扑超导体产生的机理，为其实际运用奠定基础。
　　

走入粒子世界

　　在物理学最小的基本粒子世界里住着“两大家族”：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子）。而在费米子家族众多成员里面，重费米子材料是不可忽视的存在。重费米子体系主要包括一些含有稀土金属（如铈镱）、锕族金属元素（如铀）的金属化合物。这类化合物在低温下表现出丰富的物理性质，如超导、反铁磁或铁磁以及费米液体的行为；由于低温下这类材料的比热非常高（电子的有效质量非常大），因此把此类化合物称为重费米子材料。
　　“重费米子超导材料种类繁多，迄今已有40余种，涵盖多种类型的晶体和电子结构。这些材料中存在异常丰富的奇异态，并且往往与超导相伴而生。”闫亚军介绍说，这些材料中的量子临界涨落被认为是导致重费米子超导的诱因，但又与超导态相互竞争。但是由于重费米子体系的特征能量尺度低，对其超导性质的研究还非常匮乏。
　　为敲开重费米子世界的大门，在国家自然科学面上项目“Ce基和U基重费米子材料的扫描隧道显微学研究”中，闫亚军重点对超导温度1K以上的Ce-基和U-基重费米子体系进行研究。她希望通过极低温、矢量磁场的扫描隧道显微镜研究这类材料在不同温度下的电子态性质和能隙结构，进而揭示重费米子态形成和演化的微观机制，澄清或者阐明一些典型重费米子超导体的序参量及其对称性。“同时，在这个项目里，我还想弄明白一些典型Ce-基和U-基重费米子超导体的超导态性质，是否多带超导？超导配对对称性是什么？尝试总结不同重费米子体系的f电子的局域巡游特性，来探明f电子和导带电子杂化的具体表现形式。最后，通过对比各种有序态的物理性质及相互之间的关联，如反铁磁序与超导态、隐藏序与超导态、隐藏序与反铁磁序等，弄清楚重费米子态的形成和演化过程，探索FFLO态和拓扑非平庸表面态等新奇量子态的存在与否。”闫亚军告诉记者，要跨越重费米子体系能量尺度低和普通物性测量难度高等困难，新的先进的实验手段和实验方法的应用，是打破重费米子研究僵局并取得突破性进展的重要方法之一，也会对该领域的发展有巨大的促进作用。为此，在研究中，她会借助先进的实验手段与实验方法来展开相关工作。
　　万丈高楼平地起。所有的成就都离不开前期的积累。正是闫亚军在博士、博士后期间在超导材料领域打下的坚实基础，让她在今天的研究中得以厚积薄发，也让她在国家自然科学基金项目中取得众多富有特色的研究成果。鹰击天风壮，鹏飞海浪春。在超导材料研究如火如荼的现在，闫亚军表示，她要借复旦大学物理系这方平台，在神奇的粒子世界不懈探求，发展出属于自己的特色和优势。
　　在采访中，闫亚军对记者说，一直以来，她都认为自己是一个踏实的人，比较适合搞科研，自己从小也对科学家充满了向往之情。因此，从事科研工作是她做出的正确的抉择。而在走上科研之路后，她发现科研工作并不全是想象中的美好。她说，这条路很难走，常常是一个问题叠着一个问题，常常需要在“死胡同”里徘徊。然而，即使在这么难走的路上，她觉得辛苦也是值得的，她至今都还记得每合成一种新材料、每攻克一个难题所带来的快乐。在她看来，这些在科研工作取得新突破时的快乐早就弥补了陷入困难之时的沮丧与困惑。也正是对这份快乐的“上瘾”与痴迷，让她在工作中不断突破与创新，去追寻更多的快乐。
　　
　　
专家简介：
　　
　　闫亚军，复旦大学先进材料实验室青年研究员。2008年7月，获得中国科学技术大学凝聚态物理专业学士学位；2013年6月，获得中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室凝聚态物理学博士学位。博士期间，主要从事材料合成和输运性质测量，围绕铁基高温超导材料、低维磁性材料以及拓扑绝缘体等体系的材料合成和物性展开研究；博士毕业后，加入复旦大学物理系开展博士后工作，进行复杂量子材料的STM研究；并在拓扑绝缘体BiTeCl、铁基超导体Li0.8Fe0.2OHFeSe和Ba1-XNaXTi2Sb2O、铜基超导体Bi2223体系以及5d过渡金属氧化物Sr2IrO4方面做出了很多重要工作，在关联电子的STM研究方面积累了丰富经验。截至目前，已发表学术论文50余篇，其中第一作者论文7篇(1篇PRX，1篇Scientific reports，4篇physical review B和1篇JPCM)；与国内外多个研究组合作，合作发表了Nature文章及子刊5篇，PRL 2篇等；论文他引次数高达2000余次；同时，曾多次参与国内外相关领域的学术活动和会议。