徐勇：凝聚態物理世界的“漂亮推導”

汲曉奇

在徐勇看來，清華大學是他生命中的重要轉折點。他來自湖南益陽一個普通的農村家庭，從初中開始寄宿，高中在當地數一數二的“苦學校”一心苦讀，最終圓夢清華。

清華帶給徐勇的既有開啟科研之旅的機遇，也有高手如云環境下奮發圖強的壓力，“感覺自己來清華以后比高三時還累，但回想過去那些艱苦中奮斗的日子，總是感到輕松而愉悅。”就像他熱衷的理論推導一樣，過程循序漸進，結果水到渠成，他用勤奮與智慧演繹著凝聚態物理世界的“漂亮推導”。

扎根熱與電的園地

人們總是賦予清華學子太多的光環，然而徐勇并不諱言，本科畢業前夕他也曾迷茫過，當時兩個班的同學有一半轉行金融業，一邊是繁華熱鬧的商業街，一邊是寂寞冷清的科研路，何去何從？徐勇說：“我從小就喜歡物理，在物理世界中，掌握了基本原理就可以進行無限的推導，有時用一個簡單的方程就可以描述一個世界，整個推導過程看起來很漂亮。”憑著對理論推導的熱愛，他不忘初心，選擇了科研漫漫征途。

在清華大學高等研究院讀研期間，徐勇師從中國科學院院士顧秉林，研究量子熱輸運的理論計算方法。高研規模雖不大，但是有開放自由的學術環境。除了研究量子熱輸運，徐勇還對第一性原理電子結構計算感興趣。熱與電的研究是相通的，徐勇有研究電的背景，所以在熱的領域也有很多等待他開墾的“園地”。

熱輸運是凝聚態物理和材料科學最重要的基礎研究領域之一。雖然經典理論適用于宏觀體系，但為了在原子層描述和理解熱輸運的量子行為還需要發展新的理論方法。這對鐘情理論推導的徐勇來說就像一片新開發的沃土，他在博士期間獨立地發展了一套基于第一性原理的非平衡格林函數方法，用于模擬實驗材料和器件中聲子的量子運輸，并實現了該方法的Fortran編程，基于第一性原理計算和非平衡格林函數方法，徐勇在熱與電這片沃土上盡情耕耘。

清華大學是徐勇開展科學研究的起點，但不是終點。獲得博士學位后，徐勇來到了德國馬普學會Fritz-Haber研究所從事博士后工作研究，并獲得了洪堡獎學金，受到德國總統接見。這個德國最早成立的研究所之一有著傳統的科學思維訓練系統，要求學者對科研一絲不茍，發表一篇論文往往需要修改六七十次，具體到文章中的某一句話該如何表達都有嚴格要求。

在Fritz-Haber研究所，徐勇的工作以深入的基礎研究為主，發表的論文寥寥無幾，他坦言這是人生比較壓抑的時期，“在那里將近3年的時間并沒有發表多少研究論文，但是一個人在成長過程中會遇到各種不順，關鍵是遇到挫折的時候能夠堅持下去。”這段經歷為徐勇之后的研究奠定了扎實的基礎。

隨后，徐勇到美國斯坦福大學跟隨張首晟教授從事拓撲絕緣體和熱電材料的相關研究。美國的學術氛圍非常活躍，交流過程中很容易碰撞出好的想法，加之在德國受到的一套系統的學術思維訓練使徐勇在熱與電的領域內游刃有余，他發表的多篇論文獲得了業界的廣泛認同。

發現新型拓撲材料

20世紀60年代，摩爾提出了著名的摩爾定律，即集成電路的芯片密度每兩年翻一番。隨著集成電路集成度的增加，器件尺寸日益變小，器件單位面積消耗的功率成指數增長，產生的焦耳熱也越來越多，這部分焦耳熱如果不能有效地散發出去，便會極大地影響電子器件的穩定運行，所以解決大規模集成電路的功耗和散熱問題顯得尤為重要。解決該問題有很多途徑，徐勇介紹說，一種是設計低能耗電子器件，第二種是在熱輸運的控制中尋找散熱性能好的新型材料，第三種是開發新能源。他關注這三方面的研究，并取得了一些成績。

什么是低能耗電子器件？徐勇打了一個形象的比喻：電子在電場下的運動就像開車，雜亂無章的交通路段會降低車速。對電子而言，運動路徑上的障礙（對應于材料中缺陷和雜質）越多，電子越需要迂回繞行以躲避路障，電阻就會越大；如果導電通道內的電子都朝一個方向走，那么，這樣的到點通道就像是電子的高速公路，電阻小，耗散低。很長一段時間內，人們一直在努力尋找室溫下無耗散的導電通道，以期實現無需低溫冷卻的零電阻導電。

拓撲絕緣體是一類具有絕緣體態和受拓撲保護的金屬邊界態的新型量子材料，在無耗散導電領域具有廣泛的應用前景。2006～2007年期間，張首晟教授發現二維拓撲絕緣體支持量子自旋霍爾效應，它們的邊沿態因受拓撲保護而無背散射，很有希望應用于零電阻電子輸運。2013年，徐勇在此基礎上預言了一種名為stanene（錫烯）的新型拓撲材料，它由單原子層的錫構成，它的邊沿態在室溫下可以實現量子自旋霍爾效應。作為一類新型的量子自旋霍爾絕緣體，stanene及其相關材料具有很多優點：它們的體能隙相當大，支持室溫下的各種實際應用，通過化學修飾和外應力可以有效調控量子自旋霍爾態。這一發現有利于設計更快、更有效的微芯片。

有關stanene的預測一經發表便被Scientific American、Nature News和其他雜志廣泛報道，德國、中國以及Stanford和UCLA的實驗室隨即展開了相關實驗。2015年8月，他與上海交通大學的賈金峰和錢冬組合作，首次在實驗中生長出單層stanene結構，該成果發表在Nature Materials雜志上，掀起了stanene研究的熱潮。

提高拓撲絕緣材料的熱電效率

每一個科學家都有一顆樸素的報國心，他們希望自己的科研成果能夠有用武之地，特別是那些關系國計民生的重要領域，徐勇也如此，他對能源和環境問題尤其關心。

相關的統計數據表明，汽車能源消耗的70%以熱能的形式耗散掉，如果將這些能量轉化為電能加以回收利用，可以極大地緩解當前的能源危機。美國10年前計劃用熱電回收汽車尾氣，現在已接近投入商業化生產階段，預計可將汽車燃油效率提高10%。

熱電材料是一種功能材料，它可以利用溫度差產生電壓，從而用于廢熱回收；它也可以將電流轉化成熱流，用于制冷。顯然，熱電材料的使用可以為能源和環境問題做出重大貢獻，尋找高性能的熱電材料一直是材料科學追求的目標，但熱電材料目前存在的最大問題是效率不高。熱電材料的效率主要取決于品質因子ZT，目前世界上ZT值為1的記錄至今已經保持了幾十年。徐勇提到，如果能把ZT值提高到3～4，熱電材料就可以為傳統電器行業帶來革命性影響。

“拓撲絕緣體的發現給熱電研究帶來了新的發展契機，因為許多拓撲絕緣體本身即是很好的熱電材料。”一直以來，ZT被認為是熱電材料的本征屬性，所以ZT值的改變很困難。然而，徐勇通過研究發現，與通常的材料不一樣，拓撲絕緣體的ZT并不是熱電材料的本征屬性，它可以依賴幾何尺寸發生改變，傳統的ZT定義因此不再適用，他重新給出了一個廣義的ZT定義。

在新的ZT定義基礎上，徐勇提出，優化拓撲絕緣材料的幾何尺寸可以顯著改善拓撲絕緣體的ZT。由于非磁性雜質與無序可以極大地散射聲子而幾乎不影響邊界電子態輸運，拓撲絕緣體完美地實現了“電子晶體-聲子玻璃態”，從而得到極高的ZT（>4）。他以stanene為例，預言通過優化stanene的幾何尺寸，在stanene的納米帶體系中可實現大于3或4的ZT值。徐勇的這些發現為熱電科學與技術指明了新的發展方向，為提高拓撲材料的熱電效率提供了新的思路，引起了國內外同行的極大興趣。

在徐勇的科研長途中，每一個階段都有它獨特的意義。中學時代的艱苦條件歷練了徐勇勤奮刻苦的求學品質，清華時代的不懈努力成就了徐勇生命中的重要轉折，德國系統的科研思維培養了徐勇精益求精的治學精神，美國傳統的實用理念催生了他位列國際前沿的累累碩果。

如今，他入選第十一批“青年千人計劃”回國，這一次同樣是在清華，他將再次開啟人生中一段新的旅程。