姚道新：泛舟凝聚態物理

伴隨著一系列新技術、新材料和新器件的產生，凝聚態物理在當今世界的高新科技領域越來越起著關鍵性的不可替代作用，在我國更有一批優秀的科研人員在這一領域苦心鉆研、默默付出，中山大學物理科學與工程技術學院的姚道新教授就是這樣的一位。

姚道新教授于浙江大學獲得物理學學士和碩士學位，并具有多年的海外教育科研經歷，2003年至2007年曾在美國波士頓大學作為研究助理研究強關聯電子系統中的磁性及其關聯問題及量子自旋系統的新奇相變等：2007年至2009年在美國普渡大學作為博士后研究員展開獨立的研究工作：2009年9月至12月在美國田納西大學與橡樹嶺國家實驗室研究鐵基超導體的磁性、軌道特性，量子自旋系統。2009年12月姚道新教授入駐中山大學物理科學與工程技術學院以來，作為關聯電子理論研究方向的學科帶頭人，展開了活躍的科學研究活動，并在學科建設、團隊搭建、學術交流方向已取得了諸多成績，并于2010年入選廣東省千百十人才工程，2011年入選教育部新世紀優秀人才支持計劃。

科研方面，在數十年的探索研究中，姚道新教授在凝聚態理論和統計物理尤其是關聯電子體系的磁性研究方面取得一系列突破，在探索物質的微觀結構、研究理論模型、尋找新的物質相等方面做出了重要貢獻，迄今發表多篇高質量的學術論文，回國后已發表20余篇，包括Nature Physics，Nature Communications Physical Review Letters等國際著名刊物。論文被多次引用，包括Nature、Science、美國國家研究委員會CMMP2010報告等。

攻堅量子自旋系統

在銅氧化物、IPA-CuCI、鎳氧化物、氧化錳等磁性材料中，金屬離子常常形成各種維度的量子自旋系統，產生各種有趣的量子現象。通過調節溫度、摻雜、外場、壓力等實驗手段能夠調控量子自旋系統，得到感興趣的量子物質狀態，繼而促進新的量子多體理論的產生和發展，解釋和預測實驗結果。

姚道新教授在研究準二維量子自旋系統中，發現了磁化率和結構因子的普適規律，可以方便地計算層與層之間的相互作用耦合強度：通過研究二維量子無序自旋系統，發現了經典統計中的Harris指標不成立，解決了長期困擾的學術問題，有關工作被歐洲物理快報證實和報道：研究了多軌道量子海森堡模型，通過調控洪特相互作用和不同軌道間的自旋相互作用，發現系統演化出各種奇妙的、在單軌道自旋模型中不存在的磁有序，例如隱藏的條紋相、棋盤相和搖擺相等。姚道新教授的這一系列成果在量子磁性、統計物理和材料研究中具有重要的意義，成果論文已被多次引用，并在重要會議上宣讀。

拓新三角Kagome系統磁性研究

當格點系統存在三角結構時，比如三角格點和Kagome格點，由于自旋阻挫相互作用的存在，近鄰自旋的取向會變得“不知所措”，從而導致系統基態呈現很強的簡并性，這就是所謂的幾何阻挫系統。對于二維格點系統，能獲得系統的精確解，是學者們夢寐以求的目標。

姚道新教授在此方面對該格點體系進行了系統的研究，包括該格點的英文名稱Triangular Kagome Lattice的取名。該格點結構首先在材料中發現，銅離子構成一種新的幾何結構一在Kagome格點的三角基元上嵌套一個小三角，每個三角格點上都具有自旋。2007年開始，他對該格點系統進行了系統和深入地研究，在二維幾何阻挫系統一三角Kagome系統的磁性研究上取得一系列成果。首先獲得了三角Kagome格點上的伊辛模型、量子加伊辛模型、二聚體模型的精確解：給出了零溫熵，計算了磁化率、比熱，得到了外加磁場下體系的豐富相圖，發現了具有拓撲性質的閉路氣體相和電單級相，給實驗研究提供了分析依據。

該方面論文發表后，被領域內專家給予了高度的評價，在幾何阻挫系統、精確解領域產生了很大的影響。精確解可以給統計物理、計算物理、化學、以及實驗物理提供基準性的測試平臺，有關論文還被收入統計物理精確解領域的著名專家、美國東北大學伍法岳教授的綜述文章里：所做的“幾何阻挫系統一三角Kagome格子上的自旋系統和精確解”的精彩學術報告，已放到中國最大的中文學術視頻網站。

發展關聯電子材料磁性研究

近年來，由于在銅氧超導體、鐵基超導體、錳氧化物、磁性半導體研究中的突破性進展，引發了人們對關聯電子材料的研究熱潮。對這些體系中的磁有序和自旋動力學的研究成為重要的科學前沿課題。

姚道新教授在系統地研究鐵基超導材料中的磁有序中，提出和改進了描述磁性的二維、三維自旋模型，和中子散射實驗學家合作發現該類材料具有三維磁性特征，層內相互作用具有強烈的各向異性：探索了新發現的AFeSe類超導體的磁性，做出了理論描述：指出磁有序導致低溫角分辨率光電子譜呈現各向異性：通過發展實空間的Hubbard模型平均場方法發現鐵基超導體中存在自旋電荷的條紋相和向列相。他還提出量子臨界相和磁有序相在高能情況下的磁激發呈現高度相似性，解釋了很多實驗結果。這方面的研究成果獲得了領域內很高的認可，其中一個評價為“一個非常令人吃驚的結果最近被發現，那就是x和y方向的強烈各向異性。這些結果需要全新的微觀機制去理解”。相關成果在美國物理學年會上宣讀，引起了較大反響；其中二篇論文的引用數超過100次。姚道新教授在磁有序方面的工作在關聯電子的磁性研究中產生了深遠的影響，已引起國際同行的高度關注，并于2011年受邀擔任Frontiers of Physics刊物紀念超導發現100周年專刊的特約編輯，于2012年擔任該刊物的編委。

提出二維量子自旋系統電學控制

姚道新教授還在量子自旋系統的電學調控方面做了進一步的研究工作。他和合作者研究了拓撲絕緣體的表面磁性離子摻雜問題，因為表面上的電子受拓撲保護而成為巡游電子，可以為磁性雜質問形成一種被稱作RKKY的自旋相互作用，并有可能產生反常量子霍爾效應。他們研究得到了磁雜質問的長程RKKY相互作用的解析表達式，提出通過電學的方法來調控自旋相互作用的大小和方向，這為研究二維量子自旋系統提供了一個干凈的、可調控的研究平臺。關于RKKY相互作用的精確形式解已被用來討論各種拓撲絕緣體和石墨烯表面的磁性相互作用，得到了其他方法的證實。他們關于反常量子霍爾效應的預測，也與最近的實驗結果相符。

此外，姚道新教授和合作者也探索了量子自旋系統在量子信息中的應用，研究了一維量子自旋鏈和量子點之間的耦合系統，探討了量子相變和量子退相干的關系。他們發現，當一維自旋鏈發生量子相變時，整個系統會經歷一個量子退相干到經典退相干的突然變化。這是在理論上首次通過自旋系統發現量子相變和量子退相干的直接關聯，對實現固態量子計算提供了重要的參考。

建設高精學科

在科研團隊方面，姚道新教授在中山大學已建立起一支朝氣蓬勃的研究隊伍，有多名研究生和高年級本科生加入，包括數名免推直博生。他們對該方向都充滿熱情，其中所指導的一名本科生在歐洲物理刊物European Physical Journal B發表論文一篇，多名學生在海內外的重要學術會議做學術報告，5名研究生獲得中山大學“芙蘭”獎學金。現今團隊承擔了國家自然科學基金面上項目、科技部973項目、教育部新世紀優秀人才支持計劃、博士點基金、中山大學青年教師重點培育項目等，并在光電材料與技術國家重點實驗室參與負責物理化學交叉項目的磁性研究工作。在教學方面，姚道新教授嚴格認真，勇于創新，受到學生的好評。

在學術交流方面，姚道新教授積極邀請國內外著名科學家到中山大學講學，開展合作研究，包括美國科學院院士Patrick Lee教授、波士頓大學Anders Sandvik教授、香港科大吳大琪教授、南京大學聞海虎教授、復旦大學封東來教授等。姚道新教授還負責承辦了第12屆國際凝聚態理論與計算材料學會議、第3屆計算物理會議一關聯量子體系計算方法研討會，協助組織了中國物理學會2012年秋季學術會議、粵港物理學研討會等重要會議，有力地促進了華南地區相關學科的交流和發展。