本刊記者 閆冬雪

探索電子自旋新命題
——記中國科學院上海技術(shù)物理研究所研究員王興軍

本刊記者 閆冬雪

當微觀世界中結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律被納入量子力學的范疇時，科學家們才更加深切地意識到，來自微觀世界的分子、原子，甚至是電子，居然能爆發(fā)于如此巨大的能量，于是有關(guān)原子、電子之類微小物質(zhì)的特性被代代科學家們一一揭開。

1995年畢業(yè)于上海交通大學物理系的王興軍，在學習過程中越來越察覺物理學除了虛擬的概念理論之外，還需要轉(zhuǎn)化為能夠推動社會發(fā)展的產(chǎn)品。他在入讀復旦大學物理系后，迅速走進更貼近社會發(fā)展需求的材料物理學研究領(lǐng)域。

無論是前期的基礎(chǔ)理論物理，還是后來的材料物理學，無論是電子間的相互碰撞研究，還是探索電子自旋特性，在科研的實用性與社會發(fā)展的需求之間，他都在努力尋求平衡，并在此過程中，踏踏實實、一絲不茍地實踐著、工作著。

“科研是為社會發(fā)展而服務的”

當19世紀末的物理學界，出現(xiàn)一些經(jīng)典物理無法解釋的現(xiàn)象時，量子力學誕生。與相對論構(gòu)成現(xiàn)代物理學的兩大柱石，支撐起了今后物理學家們的研究軸心。也正是認識到這一點，王興軍毅然選擇了材料物理，選擇了量子力學。

“科學要發(fā)展，那就應該不斷有新的東西出現(xiàn)”，而材料物理學的研究內(nèi)容恰恰能夠給到他這種“新的東西”。

2000年初，復旦大學博士畢業(yè)的王興軍憑借優(yōu)異的成績，留校任教。3年的教學生涯，助推著他不斷前行。為開拓更寬闊的視野，他選擇了日本東北大學金屬研究所做博士后研究，隸屬櫻井研究室。之后于次年飛往歐洲，來到瑞典林雪平大學材料物理系，4年的青春時光又獻給了摯愛的材料物理世界。幾年的留學經(jīng)歷，讓他與微觀世界的物質(zhì)們“親密對話”的資本更強了，也讓他對這份“工作”更加虔誠與敬畏。

電子行業(yè)的快速發(fā)展，電腦、電視機、LED設備等現(xiàn)代化器械的多樣化應用，催生著國內(nèi)半導體電子市場的蓬勃發(fā)展。加之，國家對海外人才的高度重視、國內(nèi)日益提升的實驗設備、熟悉的社會生活環(huán)境，王興軍于2010年選擇回國。

回到中國科學院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室的他，跟隨國家對物理學領(lǐng)域的戰(zhàn)略性要求，一邊繼續(xù)從事半導體電子材料物理研究，一邊結(jié)合實驗室發(fā)展需求，融入紅外理論。

隨著大規(guī)模集成電路的逐步應用，電子間的相互作用被要求更快更強，釋放出更多的能量，才能夠滿足社會發(fā)展需求。但試想，在一個固定的空間里面，若對電子間的“碰撞”一味地加速度，那么速度的臨界點在哪里？王興軍決定利用電子的自旋特性挑戰(zhàn)一下自旋電子學的實際應用。

室溫下電子自旋半導體的創(chuàng)建

2013年，王興軍所在團隊與國外合作，發(fā)現(xiàn)通過利用非磁性半導體中導帶電子的自旋來控制離子核自旋這一理論框架，可以實現(xiàn)在室溫條件下對核自旋的控制，這為未來在室溫條件下的量子計算機和核磁共振成像應用開辟了新的道路，在《Nature Communication》上一經(jīng)發(fā)表，短時間內(nèi)引起行業(yè)同仁的極大關(guān)注。看來，利用電子的自旋特性制作下一代的更優(yōu)異性能的光電器件已成為大勢所趨。

那么，電子自旋產(chǎn)生的巨大能量，需要控制哪些外界條件來充分地運用這些能量呢？

為了更深入地研究半導體材料中電子自旋的特性與運行條件，王興軍申請了國家自然科學基金項目——《基于GaNAs體系缺陷調(diào)控的新型自旋過濾器的物理特性研究》，試圖通過光學取向、光探測磁共振和光探測電核雙共振等實驗手段，把GaNAs材料中的自旋依賴復合缺陷的結(jié)構(gòu)和物理特性進一步拓展開來，為自旋電子學器件的優(yōu)化提供理論支持。

GaNAs材料是把氮（N）引入非磁性材料砷化鎵（GaAs）中產(chǎn)生的新型半導體材料。但在實驗中顯示，氮組成分的日益增多，材料的非輻射復合中心缺陷態(tài)越明顯，連帶著復合化合物材料的光學性能變差。電子自旋的方向可分向上、向下，那么通過如何控制電子的自旋方向來解決GaNAs材料的缺陷呢？

王興軍在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，早在2005年就有科學家指出室溫下GaNAs材料的缺陷可以作為自旋過濾器來控制電子自旋。電子自旋的速度、方向、壽命等都與所爆發(fā)出的能量息息相關(guān)，能量的采集應用就與人類的實際生活、社會的發(fā)展緊密相連。自旋過濾器在電子自旋的過程中頗為關(guān)鍵，認識到這一點后，他不免對如何實現(xiàn)自旋過濾器產(chǎn)生了新的想法。

目前，鐵磁半導體、稀磁半導體、碳納米管、量子點等諸多方法都可以營造自旋過濾器來控制電子自旋。但“這些自旋過濾器效率很低且主要依賴于低溫和強磁場下的工作環(huán)境，而且鐵磁層也會影響其它電子器件的工作性能”，基于此，他在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)氮與非磁性材料砷化鎵相結(jié)合可以提高自旋過濾器的有效性。

事物存在多面性。這種自旋過濾器的引用又讓王興軍陷入新一輪的思索：這種自旋過濾器在運行過程中，有無依賴性？

多項實驗表明，他的思考是有效的。這種自旋過濾器是由氮在引入砷化鎵后產(chǎn)生的缺陷態(tài)來控制電子自旋，那捕獲截面的大小就成為控制電子自旋速度的關(guān)鍵。溫度高，則捕獲截面大，在以往低溫狀態(tài)下，活躍性反倒降低。

因此，在室溫條件下，這種非磁性半導體自旋過濾器也可以工作，并且不需要外加磁場且易于其它電子器件相結(jié)合。這使得自旋LED、自旋晶體管和自旋半導體激光器的制造成為可能，將會帶來電子世界的新一輪革新。

在接下來的實驗過程中，王興軍表示將進行深入的縱向剖析研究，把氮在此缺陷中的位置搞清楚，另外采用連續(xù)光來判定測量缺陷的能級位置。這些問題的解決有利于非磁性半導體自旋過濾器的量化生產(chǎn)與應用，直接促進電子世界的快速發(fā)展，大大助益于人類社會文明。

踏實做科研 認真育人才

回國第二年，憑借優(yōu)異的科研成績與勤奮踏實的科研態(tài)度，王興軍入選中科院“百人計劃”。最近這幾年，他申請主持國家自然科學基金、科技部“973”重大項目專項課題、院三期創(chuàng)新項目、浦江人才計劃項目及多項國家和省部級課題，一步一個腳印地跟隨國家社會的發(fā)展需求，把自己的多年研究經(jīng)驗與國家空電探測的迫切需求結(jié)合起來，搭建了一個針對紅外半導體材料缺陷及其光電特性的研究平臺，為更多的科研工作者提供了一個信息共享的“園地”。

“我在日本東北大學時，導師告訴我們要work hard, work smartly”，王興軍講道，后來到了瑞典做研究后，自由、開放的工作氛圍又讓他感受到另一種科研態(tài)度，那就是要“信息共享、合作共贏”。

同時他也把這兩種不同的科研觀滲入到日常的教學過程當中，鼓勵學生要踏實努力的同時，也要勇于試錯，敢于交流。思維只有通過多次的碰撞，才能產(chǎn)生不一樣的火花?！翱赡茏罱K的實驗結(jié)果會和最初的實驗設想有偏差，可能一些材料本沒什么新意，但在具體的實驗過程中也會有意想不到的發(fā)現(xiàn)，科研就是探索的過程”，他認為敢于嘗試非常重要。

十余年的科研經(jīng)歷，眾多的科研成果與榮譽，是在把困難“碾碎”之后才取得的。面對意料之外的壓力與挑戰(zhàn)，王興軍的解壓方式很簡單，那就是出去打打籃球、運動運動，告訴自己“明天又是新的一天”，讓身體和心靈得到雙重調(diào)節(jié)后，再投入到日常的科研與教學過程中。

電子科技的發(fā)展讓我們快速步入到一個未曾想到過的快捷、舒適的世界，與電子材料、器件相關(guān)的工具是支撐這個世界快速“奔跑”的基石。在這個世界的“幕后”，有許多像王興軍這樣默默地與“基石”打交道的科研工作者，他們用智慧與努力為科技的發(fā)展不斷鋪路。記者堅信，他們會創(chuàng)造出更多的精彩。