姚裕貴給學生授課「最美科技工作者」頒獎詞。
他在深奧的理論科研中默默耕耘二十餘載。
也在教書育人的校園裡堅守多年。
他在理論和計算物理的賽道上默默前進。
為科技的未來增加了新的可能性。
也將同樣的理念貫徹在教育事業中。
培養出眾多投身於科學事業的年輕人。
科學研究用勤奮澆灌。
教書育人種出大樹參天。
橙黃色調的微觀世界裡，乙個個蜂窩狀結構規律排列，匯聚成一張起伏的「網」，散發著迷人的光。
今年5月，物理學頂級期刊《物理評論快報》的封面，刊登了一幅顯微成像下的**。它揭示了一種新的量子效應——北京理工大學物理學院院長姚裕貴團隊與國外合作者通過實驗觀測到鍺烯中的量子自旋霍爾態及拓撲相變。
我們發現了新的量子材料，具有更優良的效能。未來，它可能會取代許多當前的電子系統，應用於高能效電子產品的研製，比如現在很熱門的量子計算機。」外行看來深奧難懂的概念，在姚裕貴的解釋下顯得通俗了很多。
為了「捕捉」到量子世界的這點點微光，他和同伴已經探索了12年。再往前追溯，姚裕貴其實已經在物理學的深奧理論中耕耘了20餘載，他關於凝聚態物理、計算物理和材料物理的研究多次登上國際權威期刊，在反常霍爾效應、矽烯、石墨烯、拓撲材料與物性等方向上，取得了一系列突破性成果，他也因而在2023年至2023年連續入選全球「高被引科學家」名單。
前不久，姚裕貴在市委宣傳部、市科協等部門聯合開展的遴選活動中，榮獲2023年北京「最美科技工作者」稱號。作為此次獲獎者中唯一一位理論和計算物理學家，他說：「只有物理學才能滿足我們源源不斷的好奇心。」
破解「百年命題」「這份好奇心的起點是什麼？」
採訪姚裕貴約在他的辦公室——一張辦公桌、幾把椅子，環境簡單而質樸。面對記者的提問，在堆成「小山」的書籍和資料中，他正了正身子，認真思考了一會兒，答道：「我從小在農村長大，和物理學聯絡最密切的，大概就是夜晚滿天的星星。從巨集觀的天體，到微觀的量子，物理學的奧秘吸引著我。」
中學時代，姚裕貴的物理成績就非常突出，高考時，他順利考上南開大學物理系。「大學四年，我幾乎每天都是教室、圖書館、宿舍『三點一線』，看書就是我的娛樂活動。」回憶起大學時光，姚裕貴的臉上揚起笑容。「那時候，圖書館裡和物理相關的書，我基本上都看了一遍。」他緊接著補充，「當然，有的看得懂，有的看不懂。這完全不會影響我心無旁騖地學習，只覺得很充實。」
由於成績優異，姚裕貴在大三下學期就獲得了保研資格。大學最後一年，「沒事可幹」的他就跟著高年級的研究生一起上課，自學《高等量子力學》等理論物理的知識。到2023年本科畢業，他基本學完了研究生一年級的課程，還憑著興趣自學了計算機專業課。
大學期間廣泛涉獵的物理學知識，為姚裕貴開啟了更加廣闊的學術研究空間。之後，他又陸續獲得了中國科學院上海光學精密機械研究所的光學碩士學位、中科院力學研究所的力學博士學位。2023年，姚裕貴進入中科院物理研究所博士後流動站工作。
豐富的科研成長經歷背後，離不開引路人的啟發。「每一位導師都有自己的個人魅力，他們的一言一行，深深影響著我。」說起導師的故事，姚裕貴開啟了話匣子——
我的光學老師是林尊琪院士，他為我國的雷射聚變事業奉獻了一生，從不計較個人得失，遇到專案申報，他總把自己的名字抹去或往後挪，反覆強調『研究成果是集體智慧型的結晶，要依靠團隊』。」
我的力學老師是王自強院士，這位力學『大咖』的數學特別好，推導能力比我們用計算機推導還要強。從他身上，我感受到了科學家嚴謹的學術態度。」
進入中科院物理所，我的導師是王恩哥院士，最為人稱道的就是他的『711』號辦公室。正如門牌上的數字一樣，他每天清晨7點鐘到辦公室，晚上11點才離開。」
一位位引路人，陪伴姚裕貴從物理學學士、光學碩士、力學博士，一路成長為中科院物理所的研究員。不斷「跨界」的經歷，不僅開闊了他的學術視野，也讓他逐漸鎖定了研究方向——計算物理和凝聚態物理。
2023年底，姚裕貴前往美國德州大學奧斯汀分校訪學，深入研究反常霍爾效應。
反常霍爾效應，短短六個字，相當拗口。要理解這一概念，先得講講「霍爾效應家族」。2023年，美國物理學家霍爾發現了霍爾效應，它定義了磁場和感應電壓之間的關係，當電流通過乙個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生乙個垂直於電子運動方向上的作用力，從而在垂直於電流與磁感線的方向上產生電勢差。如今電子裝置的很多感測器都與此有關。
兩年後，霍爾的新發現被稱作反常霍爾效應，即在有磁性的導體上，不外加磁場，也可觀測到霍爾效應。
自2023年反常霍爾效應提出以來，始終未能建立起完整的理論體系。在一場學術報告上，姚裕貴關注到這一物理學的「百年命題」。「這是一種基本的物理現象，但是這個效應背後的物理機理，還沒有人知道。」他進一步解釋，人們對反常霍爾效應的理論機制和物理起源一直爭論不休，主要原因在於無法建立起完整的理論體系和方法對實驗結果做出定量解釋，甚至不能定性理解反常霍爾效應引起的相關物理現象，這就需要發展一套嚴格精確的計算方法，來證明現象背後的機理。
驗證的過程花了整整兩年時間。「我很慶幸，那個年代沒有現在這麼『卷』。」姚裕貴打趣地說，在國外訪學那段時間，他認識了很多優秀的學者，「大家因為對物理的熱愛聚在一起，寬鬆的學術環境，給了我和研究夥伴不斷試錯、改進的機會，讓我們沉下心來專注於**某乙個問題。」說到這兒，他停頓了一下，簡單提了一句：「從讀書起，我就一直保持著一周工作6天的習慣，晚上忙到十一二點很正常。」輕描淡寫的話語，並沒有透露藏在一次次**除錯、一張張推導演算紙裡的「苦」，反而透著一股一絲不苟、追求極致的勁頭。
終於，2023年，姚裕貴和研究夥伴在國際上率先發展了計算反常霍爾電導率的第一性原理方法，創造性地將貝里相效應融入到第一性原理計算中，定量地研究了典型鐵磁材料反常霍爾效應中基於貝里曲率的內稟機制。這一重要學術成果為他在理論和計算物理領域的深入研究奠定了堅實基礎。其中，關於反常輸運的部分成果被寫進了國外主流教科書，他也因而成為該領域開拓者之一。
從質疑到首創量子霍爾效應，被稱為電子運動的「交通規則」。一般情況下，材料中電子的運動沒有特定軌道，高度無序，電子和電子、電子和雜質都會形成碰撞，進而帶來發熱、能耗等難題。
而在量子反常霍爾效應中，無需外加磁場，電子的運動卻高度有序，猶如高速公路上的汽車，各行其道，且不回頭。打個比方，這種效應就像「電子高速公路」。量子自旋霍爾效應也類似，是指找到了電子自旋方向與電流方向之間的規律，利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地「舞蹈」，從而使能量耗散很低。這意味著，這一效應在製備低能耗的高速電子器件領域大有可為。
在特定的量子阱中，特定材料製成的絕緣體的邊緣會產生這種特殊的效應。然而，它真的存在嗎？最近十幾年來，「捕捉」具有量子自旋霍爾效應的材料，成為凝聚態物理學家競相追逐的焦點。
姚裕貴也關注到了這一點。2023年，他受邀到美國物理學會三月春季會議作一場學術報告，在巴爾的摩機場，他遇到了美國史丹福大學華裔科學家張首晟。同在凝聚態物理領域深耕的兩人，在異國的機場展開了一場學術交流。
當年，世界著名物理學家凱恩和公尺勒提出「單層石墨烯樣品中存在量子自旋霍爾效應」。張首晟敏銳地察覺到，這是乙個非常有前景的預言，他毫無保留地將自己的想法分享給了姚裕貴。「我很感謝張教授，他的觀點啟發了我。」姚裕貴說，經過一番討論，兩人認為，石墨烯樣品中存在的量子自旋霍爾效應可能微乎其微。
帶著同伴的「啟發」，回國後，姚裕貴立即展開了相關研究。他率先通過深入的理論分析和精確的計算方法研究了石墨烯中的自旋軌道耦合相互作用，發現純石墨烯中自旋軌道耦合能隙大小約為1微電子伏特，大小可忽略不計，由此可以斷定在石墨烯中很難觀測到量子化的自旋霍爾效應。2023年，相關研究成果發表，他大膽質疑學術權威，提出了「量子自旋霍爾效應在純石墨烯中不可能實現」的觀點，糾正了此前「純石墨烯中自旋軌道耦合誘導的能隙約為毫電子伏量級」的普遍看法，獲得了國際上的廣泛認可。
與此同時，姚裕貴開始帶領團隊和合作者嘗試通過實驗實現量子自旋霍爾效應。要實現這一目標，實驗條件非常苛刻。特定的量子阱結構複雜、製備困難且僅能在極低溫度條件下工作，極大地限制其器件應用。因此，在更高溫度下實現量子自旋霍爾效應，同時應用該效應設計低功耗的拓撲量子器件，尋找合適的簡單二維體系迫在眉睫。姚裕貴團隊另闢蹊徑，率先提出了在簡單二維材料中實現量子自旋霍爾效應的方案。
一直到2023年，姚裕貴和團隊才找到合適的二維材料。他將這次發現比作「靈光一現」——既然石墨烯中很難觀測到量子自旋霍爾效應，和它同一「家族」的晶體樣本是不是可以實現？帶著這樣的設想，姚裕貴等人通過一系列材料設計的方案，在國際上首次指出：類石墨烯體系-矽烯、鍺烯等是二維拓撲絕緣體，並預言在該類二維材料中可在更高溫度下觀測到量子自旋霍爾效應。這篇**發表在《物理評論快報》上，單篇引用超過1900次，成為《物理評論快報》創刊60多年來，第一單位來自中國、引用次數排名第二的**。文中所提出的理論模型成為該領域很多理論研究工作的基本出發點。
這一研究開啟了在二維材料中設計及搜尋大能隙量子自旋霍爾絕緣體的先河。姚裕貴介紹，矽烯、鍺烯、錫烯具有與石墨烯類似的蜂窩狀結構，但存在起伏。與石墨烯相比，矽烯、鍺烯、錫烯具有更強的自旋軌道耦合、能隙易調節、谷自由度易極化、與當代成熟的矽基半導體工藝相容等優勢，預計在未來的自旋電子學和奈米電子學器件等領域具有廣闊的應用前景。
此後12年間，姚裕貴與研究同伴一直在嘗試「捕捉」矽烯等材料中的量子自旋霍爾態。
2023年，姚裕貴團隊和普林斯頓大學合作，在一種由鉍和溴元素製成的拓撲絕緣體表面觀察到室溫下的量子自旋霍爾邊緣態，而通常量子行為只有在高壓、強磁場或者接近於絕對零度的極端實驗條件下才能看到。這一發現為進一步實現室溫下的量子自旋霍爾效應帶來了希望，也為開發高效量子技術創造了新的可能性。
憑藉在凝聚態物理研究上的一系列成果，姚裕貴曾榮獲國家自然科學獎、教育部自然科學獎、北京市自然科學獎、中國科學院傑出科技成就獎等獎項。他還堅持做有用的物理，為國家解決急需問題，近年來發展了基於微小藥量含能材料能量釋放效能及感度快速檢測技術，填補了相關領域技術空白。
兩個餡餅」的故事傾心學術的姚裕貴，更看重的身份是老師。在他的課題組中，「兩個餡餅」的故事廣為流傳：為了節省時間，他的晚餐常在辦公室解決，請學生為他帶兩個餡餅成為他時不時的選擇。「姚老師一定會在確認不繞路的情況下把飯卡給我們。有時大家也會打趣，今天姚老師的餡餅是幾點鐘吃完的。」北理工2016級博士生張閏午回憶，工作忙時，老師的吃飯時間根本無法保證，有時離開實驗室時才發現餡餅一口未動。
對於這個「傳奇」故事，姚裕貴聽得認真，卻不完全認可：「這只是學生們對我勤奮工作的印象。我可不是天天這樣，長期下去太不健康了。」他話鋒一轉，又補充道：「作為導師，我確實要比他們更勤奮，不然學生也不服氣呀。」
確實，從教以來，他始終以身作則，生活作息規律而簡單。除去出差，他沒有過乙個完整的假期和週末，每週工作6天，「早8晚11」的工作模式是他的日常。
除了學術研究，作為物理學院院長的姚裕貴還肩負著帶領學院發展建設的重任，同時承擔著一線教學任務。如何在科研、管理、教學以及家庭生活中掌握好平衡？對此，他這樣回答：「除了勤奮，就是高效，兩者缺一不可。」
他也將這種理念貫徹到學生培養中。「如果我們沒有好好準備小組會或在匯報時說得沒條理，好脾氣的姚老師也會十分生氣，因為他覺得這是在浪費大家的時間。」一名博士生說。
姚老師厚實寬廣的知識學養和豐富的研究經驗是我們的寶藏，大家不管有什麼問題找他請教，都會受益匪淺。」學生劉鋮鋮如今已成長為北理工物理學院的教授，他始終記得姚裕貴在課題組例會上常講的內容：「做科研，首先要有德，其次才是能。」
今年，姚裕貴團隊的研究成果再次登上《物理評論快報》，12年前團隊關於鍺烯中拓撲物性的理論**獲得證實。這一次，他們和合作者不僅實現了「捕捉」量子，還嘗試通過「操控」，產生新奇的量子物理現象。姚裕貴解釋，通過控制掃瞄隧道顯微鏡的針尖到樣品隧道結中的內建電場，來改變鍺烯的拓撲狀態：在臨界電場時，鍺烯的拓撲能隙會閉合，體系轉變為拓撲半金屬；而當電場超過臨界值時，鍺烯會開啟拓撲平庸的帶隙，並伴隨著拓撲邊緣態的消失。「這種由電場引起的拓撲狀態切換和相當大的體能隙，使鍺烯成為室溫拓撲電晶體的候選材料。」
在姚裕貴的帶領下，北理工物理學院在多項工作中取得突破性進展，他所培養的學生大多進入高校或研究所工作，獻身前沿科研和人才培養事業。姚裕貴如數家珍般道出學院獲得的榮譽：「2023年，我們學校的物理學科獲批國家『雙一流』建設學科，全國僅10所，我們是軍工院校中唯一獲批的高校，也是工信部七校唯一的雙一流基礎學科。」
如今，在理論和計算物理的賽道上，姚裕貴和他的團隊，一步乙個腳印，向前奔跑著。
還有多久才能到達終點？姚裕貴給出的答案樸素卻有分量：「科研是乙個長期過程，沒有絕對的終點。我希望能夠發現更多新奇的物理現象，做更有用的物理，為未來顛覆性的量子技術提供物質基礎，幫助國家解決實際問題。」
姚裕貴教授正在指導學生做研究（原標題：量子「捕手」）
**：北京** 記者 李祺瑤
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