奮斗創未來 科學譜希望——訪中國科學院物理研究所研究員戴希

本刊記者 李 靈

奮斗創未來 科學譜希望
——訪中國科學院物理研究所研究員戴希

本刊記者 李 靈

“2011年6月17日，對中國科學院物理研究所研究員戴希來說，十分有意義。這天，他獲得了‘中國科學院青年科學家獎’，和他一同獲該獎項的還有9位青年學者。據報道，10位獲獎青年學者的平均年齡為38.5歲，研究涉及數學、物理、化學等領域。他們已成為各自研究領域的佼佼者，其中7人為中科院‘百人計劃’入選者。”

這是2011年6月中旬被各大媒體爭相報道的一則新聞。自古有云：“長江后浪推前浪”，縱觀世界科教歷史，年輕人發揮了巨大作用，他們是科學得以延續和創新的希望。而作為年輕人中的優秀一員，戴希近年來所取得的成績，引來業界普遍關注。

典型的娃娃臉，隨意偏運動的穿著……戴希身上有很多特點使他看起來甚至比同齡人還更稚氣，更年輕。然而，也正因為這樣，才讓記者更深刻地感受到他身上所蘊含的強大朝氣和創造力，加上言談舉止的莊重得體及思維的縝密，未來希望也因他而更讓人堅定起來：中國科學有了這樣一群年輕人，何懼矣！

“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩膀上。”雖然年輕有為，戴希卻用科學巨匠牛頓的一句名言來強調前輩對自己的影響。要站到巨人的肩膀上并非易事，而要從塔尖上看到的廣袤、壯美的風景，亦遠非常人可以想象的。戴希的科研之路就是一條奮斗與收獲并進之路。

站在巨人肩膀上

戴希，1971年7月21日生于浙江杭州，這一充滿富賈巨商的富饒之地。自小天資聰穎的他卻不愛從商偏愛從研，打小就對數理化，尤其是對物理有著濃厚的興趣。高考成績優異的他考取浙江大學，卻在就業的壓力下選擇了材料系。學至中途，他發現自己依然割舍不下對物理的一份執著與熱愛，在轉系不成的情況下毅然以“編外”的形式，自己到物理系當起了旁聽生，并最終完成了兩門學科的學習任務。所以,從研究生階段開始，戴希毫不猶豫地回歸自己最初的物理夢想，開始了真正意義上的物理探尋之路.從此精勤不倦，樂此不疲。先后于1999年在中國科學院理論物理研究所獲得博士學位；1999年至2005年的6年間，在香港、美國等多個高等研究機構開展強關聯理論及計算方面的研究工作；2005年入選中科院“百人計劃”，現任中科院物理研究所研究員、博士生導師。

在物理探尋世界里，戴希是一個一心向上，從不輕言放棄的人。為使自己的物理理論基礎更為扎實，讀博之前，他慕名找到時任中科院理論物理研究所所長，在我國理論物理方面有突出貢獻的蘇肇冰院士，表達了自己期望拜師門下的愿望，沒想到吃了“閉門羹”，蘇院士以自己擔任行政工作無暇帶好學生為由婉拒了他。可戴希依然沒有放棄，執意要考，并以出色的成績為自己贏得了面試的機會。最后其扎實的專業技能和執著的精神打動了蘇院士，終于如愿以償被收入門下。半年以后，戴希成長了起來，很多科研任務，甚至參加學術交流會議，恩師也放心交由他獨立去承擔。也正因這樣的培養方式，使戴希更快更好地成長起來。畢業前，他早已經成為一名能夠在各方面獨擋一面的真正的“科研戰士”。

科研貴在積累，貴在不斷進取。雖中科院給戴希提供了一個“起飛”的良好平臺，但深諳“山外有山人外有人”道理的戴希在獲得博士學位后，選擇了留學海外繼續深造，而多年在中科院所學所練，為他在美國工作期間有所收獲奠定了良好基礎。

在美國工作期間，戴希與科研團隊一起開發了一套能與第一性原理計算相結合的動力學平均場理論程序包，并利用這一程序包解決了凝聚態理論中一個難解之謎，即金屬Pu的第一性原理計算；他還提出了一個可以直接探測高溫超導材料贗能隙態的配對漲落的實驗方案，并針對該方案進行了理論上的計算。通過計算表明，超導配對漲落將在NS隧道結中引起很大的漲落噪聲，而在噪聲頻譜中，兩倍于節電壓處，將形成一個譜峰。這一預言，使得對贗能隙態配對漲落的直接觀察成為可能，對高溫超導電性的機理探索具有重要的意義。回想起在美國的研究經歷及所見所聞所感，戴希感慨良多：“‘科學沒有國界，沒有身份尊卑之分’這句話在國外表現尤為明顯。在那兒，無論是白發蒼蒼的科研巨匠，還是初出茅廬的年輕學者，大家都有平等交流，自由言論的權利。而國外對科學成果自成一體，一代一代留傳下來的評判標準也較為正確，值得后一輩科學家學習，并貫徹實行。科學探索永無止境，唯有站在巨人的肩膀上，一代又一代傳承延續，才能與時俱進，跟上世界的腳步。”

科研結碩果

雖然在國外小有成就，但在戴希心里，總裝著一個他認為最能發揮自己所學的科研“伊甸園”，那就是曾經賦予他夢想起飛的中科院。2005年，羽翼漸豐的他入選中科院“百人計劃”，回到中科院物理研究所。正如他所愿，院里給他提供了一個發揮所長的良好平臺，在各方的支持和自己的努力之下，戴希遞交了一份不錯的科研成績單。

回顧并不算很長的科研生涯，戴希的主要學術成就集中在強關聯材料的第一性原理計算和拓撲絕緣體的理論研究上。其中代表性工作包括：1）利用LDA+DMFT方法計算得到了金屬钚的聲子譜；2）提出并發展了LDA+Gutzwiller方法并應用于強關聯材料的第一原理計算；3）通過計算預言以Bi2Se3為代表的多種拓撲絕緣體材料，建立了相應的低能有效理論，并提出了在這類材料中進行磁性摻雜可能導致量子化的反常霍爾效應。此外，還發現了一系列重要的拓撲絕緣體材料，有力地推動了有關拓撲絕緣體的理論和實驗研究。多項研究成果發表于國際一流刊物(包括Phys.Rev. Lett.14篇，SCIENCE3篇，Nature1篇，Nature Physics2篇)上，獲得國際同行的一致好評。據統計，SCI總引用次數達兩千八百多次。由于在拓撲絕緣體方面的重要貢獻，戴希與其他六位同事一起，獲得了2011年度的“求是科技成就集體獎”，相關的研究工作還入選了2010年度的中國科技十大進展。

LDA+Gutzwiller方法

——一種全新的針對強關聯材料的第一性原理計算方法

戴希的重要成績之一就是提出了LDA+Gutzwiller方法——一種全新的針對強關聯材料的第一性原理計算方法。早在跟隨蘇肇冰院士學習的時候，他就在這一領域有過深入探索。

據戴希介紹，凝聚態理論的長足進展已經搞清楚了許多材料的物性問題，但是還存在一些疑難問題懸而未決，其中最突出的莫過于強關聯電子體系的問題。所謂電子關聯，就是意味著電子和電子之間存在庫侖相互作用，傳統的能帶理論在處理固體中的電子系統時，首先是忽略了電子之間相互作用，將電子系統視為相互獨立的理想氣體，考慮單電子與晶體的周期結構之間的相互作用，從而得到了固體的能帶結構，然后再引入電子間的相互作用加以修正，但它并不適用于強關聯的電子體系，即電子間相互作用占主導地位的材料體系。

為了解決強關聯材料的電子結構計算問題，80年代以來發展了多種方法，其中目前得到較廣泛應用的主要是兩種方法，即LDA+U和LDA+DMFT。多年的應用實踐表明，LDA+U對于電子關聯的處理過于粗糙，而且不能處理不出現靜態長程有序（比如鐵磁、反鐵磁、軌道序等）的體系；而LDA+DMFT則限于其過于巨大的計算量，不能很好地應用于許多大體系計算。近年來的研究趨勢表明，我們越來越需要一種既快速又精確的電子結構計算方法，以用于復雜的實際強關聯材料的第一性原理計算研究。

從2006年開始，戴希和他的研究伙伴——方忠研究員在這方面進行了艱苦的努力，終于在2007年底成功地提出了一種全新的針對強關聯材料的第一性原理計算方法，即LDA＋Gutzwiller方法。

這一計算方法用Gutzwiller變分法來有效地處理電子之間的強關聯效應，因此對比LDA+DMFT方法，即保留了相當高的計算精度，又極大地提高了計算速度，使之能應用于許多實際體系的計算。同時他們從最基本的變分原理出發，構造了“參考哈密頓量”，使得LDA+Gutzwiller方法有了一個更加堅實的理論基礎，為今后可能的改進明確了方向。在完成了解析推導的基礎上，他們又付出了巨大的努力，克服了種種技術上的困難，成功地實現了這一方法的程序化，與擁有完全知識產權的BSTATE計算軟件包實現了完美的結合。

LDA+Gutzwiller方法提出后，戴希及其研究團隊把它應用于各類過渡金屬化合物材料的計算研究之中。結果表明它完全解決了早先LDA計算與實驗不符的問題。這一工作在PRL發表之后，得到了許多國際同行的好評和認可。

鑒于LDA+Gutzwiller方法的良好效果，很多同行慕名而來學習相關理論知識，而戴希表示，目前，他們還在進一步發展這一計算方法，計劃在兩年內，把它發展成為各種功能齊全的，針對強關聯材料的計算方法。其中將包括：表面結構優化、強關聯體系在外場驅動下的線性響應、晶格動力學性質計算等等。

拓撲絕緣體材料系列工作拓撲絕緣體作為一個全新的領域，具有很強的產業化前景。如果中國能夠把握先機，引發未來電子技術的新一輪革命，就能搶占未來電子信息行業的制高點，為此，國內很多科學家投入到這場“戰爭”中。戴希的另一亮點工作之一就是在拓撲絕緣體材料研究領域所做出的系列貢獻。

神奇而又有趣的拓撲絕緣體材料

按照電子態結構的不同，傳統意義上的材料被分為“金屬”和“絕緣體”兩大類，而拓撲絕緣體因為其獨特的性質而介于這兩大類之間。在拓撲絕緣材料中，它不像傳統材料是通過電荷來攜帶信息，而是通過電子自旋來進行信息的傳遞。所以在拓撲絕緣材料中，信息的傳遞并不涉及耗散過程，通俗地說也就是不會發熱。

2005年，不需要強磁場和低溫條件下就可以工作的拓撲絕緣材料被發現之后，立刻引起了科學界的重大關注，因為摩爾定律認為，電腦的關鍵元器件晶體管會越來越小，同時隨著集成度的增大，電腦的計算能力會增加。但是隨著晶體管越小越密集，發熱問題也就會越突出，因此許多人預言摩爾定律將于2015年失效。而拓撲絕緣體的發現將可能解決這個問題，在未來成為半導體材料的替代品，從而引發未來電子技術的新一輪革命。

據戴希介紹，最早發現的拓撲絕緣體狀態，可以追溯到20多年前發現的量子霍爾效應。美國科學家埃德溫·霍爾在19世紀末發現，通電導體在磁場作用下能使電流運動方向改變90°，這被稱作霍爾效應。1980年，科學家又發現在極低溫和強磁場條件下，二維電子氣體會在電場驅動下產生無損耗的橫向運動，這就是量子霍爾效應。與無序運動導致熱量產生相比，電子保持秩序狀態幾乎沒有能量損耗，也就是說不會發熱，這就是最早發現的拓撲絕緣態，這一發現讓人們對制造新型電腦芯片元器件充滿了希望。量子霍爾效應也因此而分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學獎，開創了凝聚態物理學的一個新紀元。但由于這種效應需要滿足強磁場和低溫這兩個條件，這樣的裝置離推廣使用無疑還很遙遠。

2006年，美國斯坦福的張守晟研究組提出，在碲化汞量子阱體系中可能存在無需磁場而由本征材料能帶結構產生的拓撲絕緣態，而這種特殊的拓撲絕緣體態將引起非常有趣的量子自旋霍爾效應。這一理論預言很快得到德國烏茲堡大學科學家的實驗證實。對于量子自旋霍爾效應，科學家們解釋到：當你擊打一個東西時，它通常會散開，還有可能反彈回來，但量子自旋霍爾效應意味著你不能按照完全相反的路徑將其反射回去。由此造成的戲劇性效果就是電子毫無阻力的流動，將一個電壓加到拓撲絕緣體上，特殊自旋流就會產生，且不會造成材料的發熱。它同樣可以做到無能量損耗地傳遞信息，并且不需要強磁場和低溫。這一新發現讓科學家們為之振奮，這為未來的電子技術的發展開辟出了一個新的天地。拓撲絕緣體的出現迅速成為現代凝聚態物理中的一個重要研究主題。

拓撲絕緣體在中國

在國際掀起拓撲絕緣體材料研究熱潮的同時，中國也在加緊相關研究工作。中科院物理研究所在很早就介入到拓撲絕緣體的研究中，長期以來與“量子自旋霍爾效應”提出者——張守晟研究組一直都保持著密切的合作，并在2009年取得了一系列突破性的進展。

2009年初，戴希、方忠研究組與張守晟教授研究組預言了一類新的強拓撲絕緣體材料系統（Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3）。他們通過理論和計算系統地探討了這類材料成為強拓撲絕緣體的物理機制。這類拓撲絕緣體材料有著獨特的優勢：它是最簡單的強拓撲絕緣體，便于理論模型研究，同時非常穩定且容易合成，有可能會成為實現室溫低能耗的自旋電子學器件。該工作發表在英國的《自然物理》雜志上，得到了中國科學院、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃和國際科技合作計劃的支持。在理論預言發表的同時，戴希、方忠研究組還積極與物理所內外各相關的實驗組合作，推動了實驗的進展，證實了理論預言的正確性。他們與美國斯坦福大學的沈志勛教授小組合作進行的角分辯光電子能譜（ARPES)實驗；配合本所的吳克輝研究員小組利用分子束外延技術制備了高質量的Bi2Se3單晶薄膜；與本所的馬旭村研究員組、清華大學的薛其坤院士研究組合作，利用STM觀測到拓撲絕緣體表面態的螺旋狀自旋結構；與物理所的何珂副研究員、清華大學的薛其坤院士小組合作利用ARPES觀測到拓撲絕緣體的三維電子態到二維電子態的演化等。

值得一提的是，戴希研究組及其合作者們發現了在拓撲絕緣體材料（Bi2Se3, Bi2Te3and Sb2Te3）的薄膜中通過磁性摻雜過渡金屬元素（C r或者Fe）可以實現量子化的反常霍爾效應。這一發現為低能量耗散的新型電子器件設計指出了一個新的發展方向。該工作發表在美國的《科學》雜志上［R.Yu, et.al., Science, 3 June 2010,DOI:10.1126/Science.1187485，得到了中國科學院、國家自然科學基金委、科技部國家重點基礎研究發展計劃和國際科技合作計劃的支持。

戴希及研究同伴們所做的這一系列的工作，在國際上引起了很大的反響，使得物理所在拓撲絕緣體的研究中再次走在了世界的前沿，很快成為目前世界上進行拓撲絕緣體研究的一個中心。

渴望“沃土”和“陽光”

“為了抉擇真理，我們應當回去；為了國家民族，我們應該回去……”這是數學家華羅庚于1950年2月的歸國途中，給中國全體留美學生寫的一封公開信。

幾十年前，多少海外學子在這樣的倡議下踏上了歸國之路；幾十年過去，新時代的年輕人回國更多的是講求一種“小”而實在的心理。正如戴希之前所提到的，他回國沒有前人那般“華麗”的理由，只簡單地出于文化和習慣的需要，出于對中科院的眷戀。自始至終，戴希都認為中科院才是最能讓他發揮所學的“歸宿”所在。這里有著全國科研機構最好的科研氛圍，人才濟濟，可以專心科研，提倡自由，鼓勵創新……

但多年在外的工作經歷也使戴希輕易地發現中國科研機制所存在的種種弊病，如研究人員參與科研活動時間少，科研投入大多屬競爭性經費，爭取和實施過程耗費大量時間、精力；國家過多干預人才招聘，存在過多阻礙人才發展的各種觀念和體制束縛等。“要想使中科院成為世界一流的科研機構，最關鍵的是擁有優秀人才，國家應該想辦法為優秀人才提供‘肥沃的土壤’和‘充足的陽光’，同時應該營造科學嚴謹、求真唯實、風清氣正的創新文化氛圍，建好‘創新生態系統’，‘規劃好森林，讓樹木自由生長’”。

“人的一生應當是這樣度過：當一個人回首往事時，不因虛度年華而悔恨，也不因碌碌無為而羞愧……”對戴希等一批年輕科學家來說，這也許是他們奮斗路上最想要表達的心聲。不管世界如何變化，不管時代怎么改變，奮斗應該是一代又一代年輕人堅持的主題。