張焱：做凝聚態物理領域的“福爾摩斯”

本刊記者 汲曉奇

張焱：做凝聚態物理領域的“福爾摩斯”

本刊記者 汲曉奇

“頭腦精密、眼光敏銳、性格冷靜、思維嚴謹而獨特，具備超強的觀察和推理能力。善于用他獨創的演繹法，常常足不出戶就可以解決很多疑難問題，一生偵破了大量的怪案奇案……”這是19世紀末的英國小說家柯南·道爾所塑造的福爾摩斯形象——一個才華橫溢的偵探。一百多年來，這一形象風靡全球，擁躉無數。而我們此文的主角——北京大學量子材料科學研究中心研究員張焱，也是個不折不扣的福爾摩斯的忠實粉絲。

然而，張焱并沒有成為一名“偵探”，而是走上了物理學研究之路。他的工作是借助多種技術手段，進入各種材料的內部去觀察分析其結構，獲取重要的實驗證據，并深入地理解多個證據之間的聯系，再通過判斷，找出材料產生某些性質的原因，從而獲取一種“結案”的快樂和成就感。“這么說起來，在科研過程中，我常常會產生一種福爾摩斯探案的感覺。”張焱笑著說。

一頭扎進材料世界

張焱是個“85后”，有著一張娃娃臉，笑起來就像鄰家的一個陽光大男孩，但是他的言行舉止卻并沒有同齡人的浮躁與盲動，而是多了幾分成熟和沉穩。“我的經歷很簡單”，身為新一批國家“青年千人計劃”引進人才，張焱這樣總結自己走過的路。

對他來說，走進千奇百怪的材料世界，與凝聚態物理結緣，是一段機緣巧合。當他還是復旦大學的一個大二學生時，導師封東來給他出了一道題目，一個與氧化鎂材料表面電子相關的項目。張焱花了一個學期的時間來完成這個項目。在研究過程中，他突然覺得固體內部的物象和一些電子態很有意思，越來越癡迷于其中。所以，當導師提到組里有另一個關于材料的科研項目，詢問他要不要留下來繼續做的時候，張焱毫不猶豫地答應了下來。

那么，你所研究“材料”都是什么？有什么用途……張焱經常會遇到這樣的問題。說起來，他的研究對象包括復雜的強關聯材料，例如高溫超導材料、自旋和電荷密度波體系以及豐富的磁有序材料等；還包括低維材料，例如薄膜、表面加工和處理、界面等。“在材料中，電子扮演著很重要的角色。材料中的電子在電荷、晶格、軌道、自旋等各種自由度的相互作用下，主導著材料的各種物理性質，衍生出多種奇異的材料。而這些新奇的材料中，往往蘊含著對未來有深遠影響的材料。我們利用多種研究方法，探索新的奇異材料，揭示其中的物理機理，尋找可以為人類社會服務的新型功能材料。”他耐心解釋道。一直以來，張焱和他的團隊利用高分辨角分辨光電子能譜技術來研究這些材料中電子態的性質。同時，他們通過結合單晶合成、薄膜生長和樣品調控等實驗手段，不僅可以誘導和優化材料的物理性質并探索新的功能材料，還為理論上理解這些材料物理性質背后的微觀機理奠定堅實的實驗基礎。

在外人看來，這似乎是一個非常復雜的事情，事實上，這確實也是一個世界性的難題。但在張焱的眼中，卻充滿了樂趣。“發現一種新材料的過程有點像調查一個案件的真相。當我們試圖發現藏在材料背后的各種奧秘時，我們需要去尋找多方面的實驗證據，以探尋其奧秘的全貌。當證據夠多的時候，我們可以做一些大膽的猜想，并設計一些有針對性的實驗區驗證我們的猜想。最終抽絲剝繭，得出最后的真相。”

材料推動世界的發展

人類歷史的車輪向前滾動離不開材料的發展，在張焱看來，探索并研究具有奇異物理特性的先進材料一直是凝聚態物理領域研究的重點。新型功能材料的研究和探索深刻影響著社會的進步，鐵和銅的冶煉及應用推動了古代人類社會的發展，而近代硅基半導體的廣泛應用更是使人類跨入了信息時代。從應用角度來講，我們的社會就是在材料的基礎上搭建起來的。

張焱最近幾年研究比較多的是超導材料。鐵基高溫超導體的發現是凝聚態物理的一個重大突破。它不僅在科學研究方面意義重大，在社會應用領域也是前景光明。“我們所熟知的超導磁懸浮列車、超導輸電電纜以及醫院里所用到的核磁共振等都是超導材料。”張焱解釋說，如果能夠讓超導電性在常溫常壓下實現，基于超導技術的各種產品，都將在廣泛應用在我們的生活、生產之中。

早在博士研究期間，張焱就在導師封東來的指導下，對多個鐵基超導體系進行了細致的研究。在KxFe2-ySe2高溫超導材料中，他們發現其費米面結構和其他所有鐵基超導體不同，并不具有中心的空穴型費米面。這樣的費米面拓撲結構顛覆了人們對鐵基費米面與超導關系的認識。同時，他們發現KxFe2-ySe2的超導能隙具有各向同性的動量空間分布。這一結果被Nature Materials雜志選為該雜志建刊十年以來發表的二十個里程碑工作之一，也是中國唯一入選的工作。

他們還在Sr1-xKxFe2As2中研究了超導和自旋密度波的關系，第一次從電子結構的角度上提出了超導與自旋密度波的共存，并對其后續的理論理解提供了實驗基礎。他們對鐵基超導磁有序態、向列相態和軌道性質等方面也做了很多系統的工作，其實驗結構闡述了鐵基超導體對稱破缺態下，電子結構的詳細特征。最后，他們還利用角分辨光電子能譜的偏振依賴特性，找到了在鐵基超導體中判定能帶軌道特征的實驗方法。這一實驗手段和方法，被后來多個實驗組借鑒。由于在鐵基超導領域突出的研究成果，張焱作為封東來老師團隊的一員，獲得了2015年國家自然科學獎二等獎。

“超薄材料也是尋找新型功能材料的一個重要的寶藏。”張焱認為，材料尺度的改變直接影響著材料的物理性質。當一個材料的厚度被縮小到幾個原子層，甚至于只剩一個原子層的時候，其性質會有巨大的改變。在斯坦福大學開展博士后研究期間，他在導師沈志勛教授的指導下，利用角分辨光電子能譜研究了FeSe單層膜和多層膜中的多個物理問題。他們發現，在FeSe多層膜中存在著很強的向列序，并在這一向列序中，觀察到了電子結構的非常規的重組現象，為理解向列序提供了重要的線索。同時，在FeSe單層膜中，他們觀察到了能隙的各向異性，并以此作為證據，獲得了判斷超導配對對稱性的證據。

欲善其事，先利其器

古人云：工欲善其事，必先利其器。要研究好材料的微觀性質，角分辨光電子能譜就是一個強大的“利器”。由于直觀，它可以直接激發和探測材料內部的電子，獲得樣品內部豐富的信息，從而整理出整個材料線索的來龍去脈，為理論理解相關材料提供重要的實驗依據。“角分辨光電子能譜擁有著強烈吸引我的魅力。”張焱表示。

回國以后，張焱計劃在北京大學設計并建立先進的角分辨光電能譜實驗裝置。在溫度、能量動量分辨率、真空等方面達到國際領先水平的同時，基于最新一代的電子能量分析器，他將重點解決數據采集效率、數據可靠與重復性、數據采集空間等方面的問題。但由于這種復雜的大型設備目前并沒有成套設備和商用設備，他只好根據研究的需求自己完成系統搭建。

“一個做實驗物理的人，一定要熟悉自己的設備！”某位諾貝爾獎獲得者曾說。張焱非常認同這一點，“就如同一個戰士一定要熟悉自己的武器，在戰場上才能做到彈無虛發。如果我們不能熟悉設備，就意味著肯定做不出世界頂尖的水平。只有熟悉設備，才能發揮出設備的最大效力，從而做出一些非常有重要意義的結果。”

當然了，要從技術上達到世界頂尖水平，還必須要有創新。而要提出設計性的想法，就要突破已有的這些儀器上的限制，將設備性能提升到更高水平。張焱團隊正在搭建的設備就有幾個與眾不同的創新地方。其中之一就在于強調了測量的可重復性。“就是希望當我們拿到一套完整數據的時候，每一次數據在采集時的實驗條件是完可重復的，這要求樣品的位置、溫度、所處的表面環境每一次都要精確可控。”張焱向我們解釋道。為此，他進行了一系列特殊的設計，強調高度的可重復性，保證實驗條件完全一致，以達到實驗數據的完整采集。

“此外，就是要強調調控和測量緊密結合，在測量過程中完成調控。盡量保證在調控過程中，其他條件不會發生變化，以便使調控精度更高，更有指向性。”為此，張焱團隊設計了獨特的樣品生長和調控系統，并計劃將其與角分辨系統通過超高真空連接起來，以利于進行原位生長、調控、測量等一系列研究。利用這樣的設備，張焱希望，在不久的將來，可以找到新的有用的功能材料，并理解其中的物理機理。

堅持源于樂在其中

算算時間，張焱回到國內已經一年多了，科研幾乎占據了他生活的全部。白天，他做設備搭建，探索和合成新的材料。晚上，他還要深入鉆研、寫文章，閱讀科研文獻。

當談到國內外科研環境的落差時，張焱表示，國內科研界已經在慢慢吸取國外的經驗，科研氛圍和硬件條件與國際相比并不差。比如他所在的北京大學量子科學研究所，就洋溢著國際化氛圍。張焱笑稱，現代物理已經不是牛頓和愛因斯坦的時代了，不會讓人有“高處不勝寒”的感覺。“現在搞物理的人很多，研究方向相同的人也不少，交流和合作才是主流，這個圈子不會寂寞。”他說。

同樣年輕的張焱，剛過而立之年，就已經身為博士生導師，有了自己的學生。他們之間的關系亦師亦友。由于年齡上的差距不大，他們有共同的興趣和話題，可以無話不談。而作為老師，張焱也有嚴格的一面。他要求學生在科研時間上要充分投入，在知識儲備和實驗技術方面都要經過千錘百煉。他特別提出，想要成為獨立的科研人員，就要具有獨立思考的能力，如果沒有這一點，只能算得上是一個純熟的技術工人，而稱不上是一名合格的物理學家。

面對著物理研究的枯燥，曾經，導師封東來總是以一句話來鼓勵張焱——“科研不是簡單的辛苦堆砌，只有樂在其中的人才能堅持下去。”如今，張焱把這句至理名言又轉達給自己的學生，而他本人也是如此做的。他把每一次實驗都看做一場有意思的游戲，可能中途難免遭遇瓶頸，但是在發現問題、探索問題、解決問題的過程中，只要堅持下去就能感受有趣的材料，看到神奇的變化，最終得到答案，這每每讓張焱樂此不疲。

身為“探案迷”的張焱心中明白，在案件中，事情的真相只有一個。而在物理世界中，未知的材料會有千千萬萬，等待著他去發現、去破解。

做一名凝聚態物理領域的“福爾摩斯”，是的，他已經準備好了。