量子“捕手”破解“百年命题”，课题组中流传着他的“传奇”故事

量子“捕手”

“最美科技工作者”颁奖词

他在深奥的理论科研中默默耕耘二十余载

也在教书育人的校园里坚守多年

他在理论和计算物理的赛道上默默前进

为科技的未来增加了新的可能性

也将同样的理念贯彻在教育事业中

培养出众多投身于科学事业的年轻人

科学研究用勤奋浇灌

教书育人种出大树参天

橙黄色调的微观世界里，一个个蜂窝状结构规律排列，汇聚成一张起伏的“网”，散发着迷人的光。

“我们发现了新的量子材料，具有更优良的性能。未来，它可能会取代许多当前的电子系统，应用于高能效电子产品的研制，比如现在很热门的量子计算机。”外行看来深奥难懂的概念，在姚裕贵的解释下显得通俗了很多。

为了“捕捉”到量子世界的这点点微光，他和同伴已经探索了12年。再往前追溯，姚裕贵其实已经在物理学的深奥理论中耕耘了20余载，他关于凝聚态物理、计算物理和材料物理的研究多次登上国际权威期刊，在反常霍尔效应、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等方向上，取得了一系列突破性成果，他也因而在2018年至2022年连续入选全球“高被引科学家”名单。

前不久，姚裕贵在市委宣传部、市科协等部门联合开展的遴选活动中，荣获2023年北京“最美科技工作者”称号。作为此次获奖者中唯一一位理论和计算物理学家，他说：“只有物理学才能满足我们源源不断的好奇心。”

破解“百年命题”

“这份好奇心的起点是什么？”

采访姚裕贵约在他的办公室——一张办公桌、几把椅子，环境简单而质朴。面对记者的提问，在堆成“小山”的书籍和资料中，他正了正身子，认真思考了一会儿，答道：“我从小在农村长大，和物理学联系最密切的，大概就是夜晚满天的星星。从宏观的天体，到微观的量子，物理学的奥秘吸引着我。”

中学时代，姚裕贵的物理成绩就非常突出，高考时，他顺利考上南开大学物理系。“大学四年，我几乎每天都是教室、图书馆、宿舍‘三点一线’，看书就是我的娱乐活动。”回忆起大学时光，姚裕贵的脸上扬起笑容。“那时候，图书馆里和物理相关的书，我基本上都看了一遍。”他紧接着补充，“当然，有的看得懂，有的看不懂。这完全不会影响我心无旁骛地学习，只觉得很充实。”

由于成绩优异，姚裕贵在大三下学期就获得了保研资格。大学最后一年，“没事可干”的他就跟着高年级的研究生一起上课，自学《高等量子力学》等理论物理的知识。到1992年本科毕业，他基本学完了研究生一年级的课程，还凭着兴趣自学了计算机专业课。

大学期间广泛涉猎的物理学知识，为姚裕贵打开了更加广阔的学术研究空间。之后，他又陆续获得了中国科学院上海光学精密机械研究所的光学硕士学位、中科院力学研究所的力学博士学位。1999年，姚裕贵进入中科院物理研究所博士后流动站工作。

丰富的科研成长经历背后，离不开引路人的启发。“每一位导师都有自己的个人魅力，他们的一言一行，深深影响着我。”说起导师的故事，姚裕贵打开了话匣子——

“我的光学老师是林尊琪院士，他为我国的激光聚变事业奉献了一生，从不计较个人得失，遇到项目申报，他总把自己的名字抹去或往后挪，反复强调‘研究成果是集体智慧的结晶，要依靠团队’。”

“我的力学老师是王自强院士，这位力学‘大咖’的数学特别好，推导能力比我们用计算机推导还要强。从他身上，我感受到了科学家严谨的学术态度。”

“进入中科院物理所，我的导师是王恩哥院士，最为人称道的就是他的‘711’号办公室。正如门牌上的数字一样，他每天清晨7点钟到办公室，晚上11点才离开。”

……

一位位引路人，陪伴姚裕贵从物理学学士、光学硕士、力学博士，一路成长为中科院物理所的研究员。不断“跨界”的经历，不仅开阔了他的学术视野，也让他逐渐锁定了研究方向——计算物理和凝聚态物理。

2001年底，姚裕贵前往美国德州大学奥斯汀分校访学，深入研究反常霍尔效应。

反常霍尔效应，短短六个字，相当拗口。要理解这一概念，先得讲讲“霍尔效应家族”。1879年，美国物理学家霍尔发现了霍尔效应，它定义了磁场和感应电压之间的关系，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于电流与磁感线的方向上产生电势差。如今电子设备的很多传感器都与此有关。

两年后，霍尔的新发现被称作反常霍尔效应，即在有磁性的导体上，不外加磁场，也可观测到霍尔效应。

验证的过程花了整整两年时间。“我很庆幸，那个年代没有现在这么‘卷’。”姚裕贵打趣地说，在国外访学那段时间，他认识了很多优秀的学者，“大家因为对物理的热爱聚在一起，宽松的学术环境，给了我和研究伙伴不断试错、改进的机会，让我们沉下心来专注于探究某一个问题。”说到这儿，他停顿了一下，简单提了一句：“从读书起，我就一直保持着一周工作6天的习惯，晚上忙到十一二点很正常。”轻描淡写的话语，并没有透露藏在一次次代码调试、一张张推导演算纸里的“苦”，反而透着一股一丝不苟、追求极致的劲头。

终于，2004年，姚裕贵和研究伙伴在国际上率先发展了计算反常霍尔电导率的第一性原理方法，创造性地将贝里相效应融入到第一性原理计算中，定量地研究了典型铁磁材料反常霍尔效应中基于贝里曲率的内禀机制。这一重要学术成果为他在理论和计算物理领域的深入研究奠定了坚实基础。其中，关于反常输运的部分成果被写进了国外主流教科书，他也因而成为该领域开拓者之一。

从质疑到首创

量子霍尔效应，被称为电子运动的“交通规则”。一般情况下，材料中电子的运动没有特定轨道，高度无序，电子和电子、电子和杂质都会形成碰撞，进而带来发热、能耗等难题。

而在量子反常霍尔效应中，无需外加磁场，电子的运动却高度有序，犹如高速公路上的汽车，各行其道，且不回头。打个比方，这种效应就像“电子高速公路”。量子自旋霍尔效应也类似，是指找到了电子自旋方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地“舞蹈”，从而使能量耗散很低。这意味着，这一效应在制备低能耗的高速电子器件领域大有可为。

在特定的量子阱中，特定材料制成的绝缘体的边缘会产生这种特殊的效应。然而，它真的存在吗？最近十几年来，“捕捉”具有量子自旋霍尔效应的材料，成为凝聚态物理学家竞相追逐的焦点。

当年，世界著名物理学家凯恩和米勒提出“单层石墨烯样品中存在量子自旋霍尔效应”。张首晟敏锐地察觉到，这是一个非常有前景的预言，他毫无保留地将自己的想法分享给了姚裕贵。“我很感谢张教授，他的观点启发了我。”姚裕贵说，经过一番讨论，两人认为，石墨烯样品中存在的量子自旋霍尔效应可能微乎其微。

带着同伴的“启发”，回国后，姚裕贵立即展开了相关研究。他率先通过深入的理论分析和精确的计算方法研究了石墨烯中的自旋轨道耦合相互作用，发现纯石墨烯中自旋轨道耦合能隙大小约为1微电子伏特，大小可忽略不计，由此可以断定在石墨烯中很难观测到量子化的自旋霍尔效应。2007年，相关研究成果发表，他大胆质疑学术权威，提出了“量子自旋霍尔效应在纯石墨烯中不可能实现”的观点，纠正了此前“纯石墨烯中自旋轨道耦合诱导的能隙约为毫电子伏量级”的普遍看法，获得了国际上的广泛认可。

与此同时，姚裕贵开始带领团队和合作者尝试通过实验实现量子自旋霍尔效应。要实现这一目标，实验条件非常苛刻。特定的量子阱结构复杂、制备困难且仅能在极低温度条件下工作，极大地限制其器件应用。因此，在更高温度下实现量子自旋霍尔效应，同时应用该效应设计低功耗的拓扑量子器件，寻找合适的简单二维体系迫在眉睫。姚裕贵团队另辟蹊径，率先提出了在简单二维材料中实现量子自旋霍尔效应的方案。

这一研究开启了在二维材料中设计及搜寻大能隙量子自旋霍尔绝缘体的先河。姚裕贵介绍，硅烯、锗烯、锡烯具有与石墨烯类似的蜂窝状结构，但存在起伏。与石墨烯相比，硅烯、锗烯、锡烯具有更强的自旋轨道耦合、能隙易调节、谷自由度易极化、与当代成熟的硅基半导体工艺兼容等优势，预计在未来的自旋电子学和纳米电子学器件等领域具有广阔的应用前景。

此后12年间，姚裕贵与研究同伴一直在尝试“捕捉”硅烯等材料中的量子自旋霍尔态。

2022年，姚裕贵团队和普林斯顿大学合作，在一种由铋和溴元素制成的拓扑绝缘体表面观察到室温下的量子自旋霍尔边缘态，而通常量子行为只有在高压、强磁场或者接近于绝对零度的极端实验条件下才能看到。这一发现为进一步实现室温下的量子自旋霍尔效应带来了希望，也为开发高效量子技术创造了新的可能性。

凭借在凝聚态物理研究上的一系列成果，姚裕贵曾荣获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、北京市自然科学奖、中国科学院杰出科技成就奖等奖项。他还坚持做有用的物理，为国家解决急需问题，近年来发展了基于微小药量含能材料能量释放性能及感度快速检测技术，填补了相关领域技术空白。

“两个馅饼”的故事

倾心学术的姚裕贵，更看重的身份是老师。在他的课题组中，“两个馅饼”的故事广为流传：为了节省时间，他的晚餐常在办公室解决，请学生为他带两个馅饼成为他时不时的选择。“姚老师一定会在确认不绕路的情况下把饭卡给我们。有时大家也会打趣，今天姚老师的馅饼是几点钟吃完的。”北理工2016级博士生张闰午回忆，工作忙时，老师的吃饭时间根本无法保证，有时离开实验室时才发现馅饼一口未动。

对于这个“传奇”故事，姚裕贵听得认真，却不完全认可：“这只是学生们对我勤奋工作的印象。我可不是天天这样，长期下去太不健康了。”他话锋一转，又补充道：“作为导师，我确实要比他们更勤奋，不然学生也不服气呀。”

确实，从教以来，他始终以身作则，生活作息规律而简单。除去出差，他没有过一个完整的假期和周末，每周工作6天，“早8晚11”的工作模式是他的日常。

除了学术研究，作为物理学院院长的姚裕贵还肩负着带领学院发展建设的重任，同时承担着一线教学任务。如何在科研、管理、教学以及家庭生活中掌握好平衡？对此，他这样回答：“除了勤奋，就是高效，两者缺一不可。”

他也将这种理念贯彻到学生培养中。“如果我们没有好好准备小组会或在汇报时说得没条理，好脾气的姚老师也会十分生气，因为他觉得这是在浪费大家的时间。”一名博士生说。

“姚老师厚实宽广的知识学养和丰富的研究经验是我们的宝藏，大家不管有什么问题找他请教，都会受益匪浅。”学生刘铖铖如今已成长为北理工物理学院的教授，他始终记得姚裕贵在课题组例会上常讲的内容：“做科研，首先要有德，其次才是能。”

在姚裕贵的带领下，北理工物理学院在多项工作中取得突破性进展，他所培养的学生大多进入高校或研究所工作，献身前沿科研和人才培养事业。姚裕贵如数家珍般道出学院获得的荣誉：“2022年，我们学校的物理学科获批国家‘双一流’建设学科，全国仅10所，我们是军工院校中唯一获批的高校，也是工信部七校唯一的双一流基础学科。”

如今，在理论和计算物理的赛道上，姚裕贵和他的团队，一步一个脚印，向前奔跑着。

还有多久才能到达终点？姚裕贵给出的答案朴素却有分量：“科研是一个长期过程，没有绝对的终点。我希望能够发现更多新奇的物理现象，做更有用的物理，为未来颠覆性的量子技术提供物质基础，帮助国家解决实际问题。”

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