徐強

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。隨著科學技術的發(fā)展，關于磁性材料的研究也得到了廣泛的關注。2016年12月17日至18日，關于新型拓撲磁性材料的學術研討會在合肥物質(zhì)科學研究院舉行。會議圍繞拓撲磁性的基本原理、拓撲特性等前沿問題開展了廣泛的交流和討論。鑒于拓撲磁性材料表現(xiàn)出來的獨特特性與巨大的應用前景，日本、法國、美國、德國等國家都在加大投入進行相關物性以及器件的研究，并取得了一系列重要的結果。相對來說，國內(nèi)涉足這一領域起步較晚，但發(fā)展趨勢良好。在國內(nèi)拓撲磁性材料的研究發(fā)展過程中，北京航空航天大學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，塑造嚴謹?shù)目茖W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，2005年畢業(yè)以全縣應屆理科第一名總分641的優(yōu)異成績進入蘭州大學物理學國家基地班學習。蘭州大學雖地處偏僻，但本科生教育十分扎實，當時有一批德高望重的教學名師，如教授量子力學的錢伯初先生和教授熱力學的高崇伊先生等，這也使劉知琪教授在本科基礎知識學習階段大受脾益。此外，物理學國家基地班的同學都非常優(yōu)秀，人人思維獨特，創(chuàng)新意識強，學習鉆研氛圍濃厚，這樣的學習環(huán)境對班里每個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習生活了4年，也為他日后塑造嚴謹?shù)目茖W思維打下了堅實的基礎。

2009年本科畢業(yè)后劉知琪進入新加坡國立大學攻讀凝聚態(tài)物理博士學位，師從T. Venky Vekatesan教授。Venky教授在氧化物電子學領域有很大的影響力， Venky教授在材料物理方面知識積累非常雄厚，思維極具創(chuàng)造性，對自己學生的培育方式也十分獨特：Venky教授注重給學生充分的自由，他不會給每個人指定研究課題，而是鼓勵學生在各種組會上多聽、多想，力求讓每個學生獨立思考，發(fā)現(xiàn)自己感興趣的課題；同時他鼓勵學生創(chuàng)業(yè)，在他的幫助下，十多名學生成立了自己的公司；他非常重視培養(yǎng)學生的英語交際能力，鼓勵每個非英語國家的學生從一開始就堅持用英語進行學術交流，多參加國際學術會議，他會親自糾正學生的發(fā)音和修改每個學生英文寫作中的語病。這樣的模式不但沒有讓學生“放羊”，反而培養(yǎng)了學生的獨立科研和主動探索能力。在當時新加坡國立大學Venky教授擔任主任的NUSNNI-Nanocore研究中心，實驗室每天24小時隨時都有人在進行實驗研究，科研氛圍相當濃厚。劉知琪在Venky 教授的實驗室進行鈣鈦礦氧化物薄膜電性、磁性、光學特性的研究。在Venky 教授獨特的培養(yǎng)過程中，劉知琪堅持用英語進行學術交流，不僅僅在科學研究的知識上有了重大收獲，同時他也在日復一日的科學研究中形成了刻苦嚴謹?shù)难芯苛晳T，形成了獨立的科研探索能力，塑造了嚴謹?shù)目茖W思維。受Venky教授的熏陶，劉知琪在博士第二年就在物理學頂級期刊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，獨立提出了“電荷玻璃”的想法，用來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，他進入美國橡樹嶺國家實驗室和加州大學伯克利分校從事鐵電/鐵磁多鐵異質(zhì)結博士后研究，合作導師為美國工程院院士、鐵電多鐵領域著名學者Ramamoorthy Ramesh教授。源于對材料性能的精益求精，Ramesh教授對團隊成員的要求非常嚴格，這也對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)嘗試幾百個樣品，并不停地進行測試。當時，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慣。然而，即使經(jīng)過很多努力，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持一點的邊緣。劉知琪在不斷探索的過程中并沒有放棄，在這種經(jīng)過兩年多高強度的不懈努力，劉知琪在金屬磁性合金在氧化物上外延生長及通過外加電場調(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等頂級期刊上發(fā)表了相關研究成果。榮譽的背后是不斷重復幾百甚至上千個樣品的嘗試，一次次的嘗試一次次的研究也磨練了劉知琪的性格，塑造了他嚴謹?shù)目茖W思維。蓬生麻中，不扶自直。求學期間，在名師的指導下，在濃郁的科學氛圍的影響下，劉知琪教授形成了嚴謹?shù)目茖W思維，這也是他能夠在磁性材料領域取得重大成就的原因。

刻苦鉆研， 探索磁性材料領域新高度

劉知琪教授目前的研究方向是先進磁性材料，具體的研究領域有磁性薄膜材料， 功能氧化物新奇電性、磁性、光學特性，鐵電多鐵材料及異質(zhì)結和拓撲電子體系電性磁性研究等?；谧x取博士學位期間對于鈣鈦礦氧化物SrTiO3薄膜中氧空位引發(fā)金屬-絕緣相變的研究，劉知琪教授進一步探究鈣鈦礦氧化物NdGaO3 （NGO）中新奇紫外和藍色熒光以及“超氫摻雜NGO。作為磁性材料領域的一名探索者，劉知琪教授運用自己豐富的知識，堅持不懈的進行實驗。經(jīng)過大量的實驗探索，劉教授得出結論：室溫下的NGO被高強度325nm激光激發(fā)后會發(fā)出很強的紫外及藍光（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。這是因為：Ce替換掉Nd后相當于對NGO進行電子摻雜，多余的一個電子在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，達到nm甚至10nm量級，故名為“超氫摻雜”；當Nd原子的基態(tài)電子被激光激發(fā)到高能級以后，如果周圍有這種“超氫電子”，它就很可能不向低能級躍遷發(fā)光，而是通過散射將能量轉(zhuǎn)移給超氫電子，從而抑制發(fā)光。實驗發(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，這種超氫摻雜有可能通過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劃”。作為一名探索者，他獨立嚴謹?shù)目茖W思維，認真堅持不懈的科學態(tài)度是他成功的關鍵。在未來的幾年中，劉知琪教授將在以前鐵磁材料研究的基礎上，著重開展拓撲磁性材料、反鐵磁/亞鐵磁自旋電子學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，帶領自己的研究小組探索磁性材料領域新高度。endprint