磁性材料領(lǐng)域的探索者

徐強(qiáng)

磁性材料，如鐵、鈷、鎳金屬，是古老而用途十分廣泛的功能材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于磁性材料的研究也得到了廣泛的關(guān)注。2016年12月17日至18日，關(guān)于新型拓?fù)浯判圆牧系膶W(xué)術(shù)研討會(huì)在合肥物質(zhì)科學(xué)研究院舉行。會(huì)議圍繞拓?fù)浯判缘幕驹怼⑼負(fù)涮匦缘惹把貑?wèn)題開展了廣泛的交流和討論。鑒于拓?fù)浯判圆牧媳憩F(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特特性與巨大的應(yīng)用前景，日本、法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家都在加大投入進(jìn)行相關(guān)物性以及器件的研究，并取得了一系列重要的結(jié)果。相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)涉足這一領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展趨勢(shì)良好。在國(guó)內(nèi)拓?fù)浯判圆牧系难芯堪l(fā)展過(guò)程中，北京航空航天大學(xué)的劉知琪教授作為一名探索者不畏困難勇敢前行。

名師引路，塑造嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維

劉知琪教授，1989年7月出生于甘肅省清水縣。高中就讀于清水縣第一中學(xué)，2005年畢業(yè)以全縣應(yīng)屆理科第一名總分641的優(yōu)異成績(jī)進(jìn)入蘭州大學(xué)物理學(xué)國(guó)家基地班學(xué)習(xí)。蘭州大學(xué)雖地處偏僻，但本科生教育十分扎實(shí)，當(dāng)時(shí)有一批德高望重的教學(xué)名師，如教授量子力學(xué)的錢伯初先生和教授熱力學(xué)的高崇伊先生等，這也使劉知琪教授在本科基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)階段大受脾益。此外，物理學(xué)國(guó)家基地班的同學(xué)都非常優(yōu)秀，人人思維獨(dú)特，創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)，學(xué)習(xí)鉆研氛圍濃厚，這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)班里每個(gè)人的思維拓新起到了很大的作用。劉知琪教授在這樣的氛圍下學(xué)習(xí)生活了4年，也為他日后塑造嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2009年本科畢業(yè)后劉知琪進(jìn)入新加坡國(guó)立大學(xué)攻讀凝聚態(tài)物理博士學(xué)位，師從T. Venky Vekatesan教授。Venky教授在氧化物電子學(xué)領(lǐng)域有很大的影響力， Venky教授在材料物理方面知識(shí)積累非常雄厚，思維極具創(chuàng)造性，對(duì)自己學(xué)生的培育方式也十分獨(dú)特：Venky教授注重給學(xué)生充分的自由，他不會(huì)給每個(gè)人指定研究課題，而是鼓勵(lì)學(xué)生在各種組會(huì)上多聽、多想，力求讓每個(gè)學(xué)生獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)自己感興趣的課題；同時(shí)他鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)業(yè)，在他的幫助下，十多名學(xué)生成立了自己的公司；他非常重視培養(yǎng)學(xué)生的英語(yǔ)交際能力，鼓勵(lì)每個(gè)非英語(yǔ)國(guó)家的學(xué)生從一開始就堅(jiān)持用英語(yǔ)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，多參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，他會(huì)親自糾正學(xué)生的發(fā)音和修改每個(gè)學(xué)生英文寫作中的語(yǔ)病。這樣的模式不但沒有讓學(xué)生“放羊”，反而培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立科研和主動(dòng)探索能力。在當(dāng)時(shí)新加坡國(guó)立大學(xué)Venky教授擔(dān)任主任的NUSNNI-Nanocore研究中心，實(shí)驗(yàn)室每天24小時(shí)隨時(shí)都有人在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，科研氛圍相當(dāng)濃厚。劉知琪在Venky 教授的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鈣鈦礦氧化物薄膜電性、磁性、光學(xué)特性的研究。在Venky 教授獨(dú)特的培養(yǎng)過(guò)程中，劉知琪堅(jiān)持用英語(yǔ)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，不僅僅在科學(xué)研究的知識(shí)上有了重大收獲，同時(shí)他也在日復(fù)一日的科學(xué)研究中形成了刻苦嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯苛?xí)慣，形成了獨(dú)立的科研探索能力，塑造了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。受Venky教授的熏陶，劉知琪在博士第二年就在物理學(xué)頂級(jí)期刊Physical Review Letters [107， 146802 （2011）]上發(fā)表了鈣鈦礦氧化物SrTiO3薄膜中氧空位引發(fā)金屬-絕緣相變的研究，并類比磁性材料中“自旋玻璃”的概念，獨(dú)立提出了“電荷玻璃”的想法，用來(lái)表征特定低溫電子局域態(tài)。

2013年底，劉知琪博士畢業(yè)。隨后，他進(jìn)入美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校從事鐵電/鐵磁多鐵異質(zhì)結(jié)博士后研究，合作導(dǎo)師為美國(guó)工程院院士、鐵電多鐵領(lǐng)域著名學(xué)者Ramamoorthy Ramesh教授。源于對(duì)材料性能的精益求精，Ramesh教授對(duì)團(tuán)隊(duì)成員的要求非常嚴(yán)格，這也對(duì)劉知琪在磁性薄膜研究方面的影響非常大。每一種材料，為了達(dá)到高質(zhì)量薄膜制備，劉知琪往往要在不同條件下連續(xù)嘗試幾百個(gè)樣品，并不停地進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)時(shí)，不論節(jié)假日，劉知琪每天至少研究三批薄膜樣品成了一種基本科研習(xí)慣。然而，即使經(jīng)過(guò)很多努力，有些材料的制備也不一定能成功，但突破往往就在即將要放棄卻再堅(jiān)持一點(diǎn)的邊緣。劉知琪在不斷探索的過(guò)程中并沒有放棄，在這種經(jīng)過(guò)兩年多高強(qiáng)度的不懈努力，劉知琪在金屬磁性合金在氧化物上外延生長(zhǎng)及通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)控磁性方面取得了一些突破性成果，以第一作者在Nature Communications， Physical Review Letters和Advanced Materials等頂級(jí)期刊上發(fā)表了相關(guān)研究成果。榮譽(yù)的背后是不斷重復(fù)幾百甚至上千個(gè)樣品的嘗試，一次次的嘗試一次次的研究也磨練了劉知琪的性格，塑造了他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。蓬生麻中，不扶自直。求學(xué)期間，在名師的指導(dǎo)下，在濃郁的科學(xué)氛圍的影響下，劉知琪教授形成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，這也是他能夠在磁性材料領(lǐng)域取得重大成就的原因。

刻苦鉆研， 探索磁性材料領(lǐng)域新高度

劉知琪教授目前的研究方向是先進(jìn)磁性材料，具體的研究領(lǐng)域有磁性薄膜材料， 功能氧化物新奇電性、磁性、光學(xué)特性，鐵電多鐵材料及異質(zhì)結(jié)和拓?fù)潆娮芋w系電性磁性研究等。基于讀取博士學(xué)位期間對(duì)于鈣鈦礦氧化物SrTiO3薄膜中氧空位引發(fā)金屬-絕緣相變的研究，劉知琪教授進(jìn)一步探究鈣鈦礦氧化物NdGaO3 （NGO）中新奇紫外和藍(lán)色熒光以及“超氫摻雜NGO。作為磁性材料領(lǐng)域的一名探索者，劉知琪教授運(yùn)用自己豐富的知識(shí)，堅(jiān)持不懈的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索，劉教授得出結(jié)論：室溫下的NGO被高強(qiáng)度325nm激光激發(fā)后會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的紫外及藍(lán)光（通常用于熒光照明），發(fā)光峰由電子在稀土原子Nd的原子能級(jí)之間的躍遷所決定。另外，微量Ce4+離子摻雜能顯著抑制NGO的熒光發(fā)射。這是因?yàn)椋篊e替換掉Nd后相當(dāng)于對(duì)NGO進(jìn)行電子摻雜，多余的一個(gè)電子在NGO中的電子云分布范圍，類似于氫原子的玻兒半徑（0.53A），和材料的介電常數(shù)成正比；由于很多鈣鈦礦氧化物材料的介電常數(shù)比較大，如NGO介電常數(shù)約為20，SrTiO3的介電常數(shù)為300，使得這種類氫摻雜電子的電子云半徑很大，達(dá)到nm甚至10nm量級(jí)，故名為“超氫摻雜”；當(dāng)Nd原子的基態(tài)電子被激光激發(fā)到高能級(jí)以后，如果周圍有這種“超氫電子”，它就很可能不向低能級(jí)躍遷發(fā)光，而是通過(guò)散射將能量轉(zhuǎn)移給超氫電子，從而抑制發(fā)光。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只需要5%的Ce原子摻雜就可以完全抑制NGO的熒光發(fā)射。同時(shí)，這種超氫摻雜有可能通過(guò)RKKY作用而改變Nd3+磁矩之間的磁性耦合。

劉知琪教授雖然年輕，卻在磁性材料的研究領(lǐng)域有了自己的一席之地。2016年，他獲批中組部“第十二批青年千人計(jì)劃”。作為一名探索者，他獨(dú)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，認(rèn)真堅(jiān)持不懈的科學(xué)態(tài)度是他成功的關(guān)鍵。在未來(lái)的幾年中，劉知琪教授將在以前鐵磁材料研究的基礎(chǔ)上，著重開展拓?fù)浯判圆牧稀⒎磋F磁/亞鐵磁自旋電子學(xué)以及原子尺度氧化物界面新奇磁性的研究。我們期待著，劉知琪教授作為探索者，帶領(lǐng)自己的研究小組探索磁性材料領(lǐng)域新高度。endprint