姚道新:泛舟凝聚态物理

伴随着一系列新技术、新材料和新器件的产生,凝聚态物理在当今世界的高新科技领域越来越起着键性的不可替代作用,在我国更有一批优秀的科研人员在这一领域苦心钻研、默默付出,中山大学物理科学与工程技术学院的姚道新教授就是这样的一位.

姚道新教授于浙江大学获得物理学学士和硕士学位,并具有多年的海外教育科研经历,2003年至2007年曾在美国波士顿大学作为研究助理研究强联电子系统中的磁性及其联问题及量子自旋系统的新奇相变等：2007年至2009年在美国普渡大学作为博士后研究员展开独立的研究工作：2009年9月至12月在美国田纳西大学与橡树岭国家实验室研究铁基超导体的磁性、轨道特性,量子自旋系统.2009年12月姚道新教授入驻中山大学物理科学与工程技术学院以来,作为联电子理论研究方向的学科带头人,展开了活跃的科学研究活动,并在学科建设、团队搭建、学术交流方向已取得了诸多成绩,并于2010年入选广东省千百十人才工程,2011年入选教育部新世纪优秀人才支持计划.

科研方面,在数十年的探索研究中,姚道新教授在凝聚态理论和统计物理尤其是联电子体系的磁性研究方面取得一系列突破,在探索物质的微观结构、研究理论模型、寻找新的物质相等方面做出了重要贡献,迄今发表多篇高质量的学术论文,回国后已发表20余篇,包括NaturePhysics,NatureCommunicationsPhysicalReviewLetters等国际著名刊物.论文被多次引用,包括Nature、Science、美国国家研究委员会CMMP2010报告等.

攻坚量子自旋系统

在铜氧化物、IPA-CuCI、镍氧化物、氧化锰等磁性材料中,金属离子常常形成各种维度的量子自旋系统,产生各种有趣的量子现象.通过调节温度、掺杂、外场、压力等实验手段能够调控量子自旋系统,得到感兴趣的量子物质状态,继而促进新的量子多体理论的产生和发展,解释和预测实验结果.

姚道新教授在研究准二维量子自旋系统中,发现了磁化率和结构因子的普适规律,可以方便地计算层与层之间的相互作用耦合强度：通过研究二维量子无序自旋系统,发现了经典统计中的Harris指标不成立,解决了长期困扰的学术问题,有工作被欧洲物理快报证实和报道：研究了多轨道量子海森堡模型,通过调控洪特相互作用和不同轨道间的自旋相互作用,发现系统演化出各种奇妙的、在单轨道自旋模型中不存在的磁有序,例如隐藏的条纹相、棋盘相和摇摆相等.姚道新教授的这一系列成果在量子磁性、统计物理和材料研究中具有重要的意义,成果论文已被多次引用,并在重要会议上宣读.

拓新三角Kagome系统磁性研究

当格点系统存在三角结构时,比如三角格点和Kagome格点,由于自旋阻挫相互作用的存在,近邻自旋的取向会变得“不知所措”,从而导致系统基态呈现很强的简并性,这就是所谓的几何阻挫系统.对于二维格点系统,能获得系统的精确解,是学者们梦寐以求的目标.

姚道新教授在此方面对该格点体系进行了系统的研究,包括该格点的英文名称TriangularKagomeLattice的取名.该格点结构首先在材料中发现,铜离子构成一种新的几何结构一在Kagome格点的三角基元上嵌套一个小三角,每个三角格点上都具有自旋.2007年开始,他对该格点系统进行了系统和深入地研究,在二维几何阻挫系统一三角Kagome系统的磁性研究上取得一系列成果.首先获得了三角Kagome格点上的伊辛模型、量子加伊辛模型、二聚体模型的精确解：给出了零温熵,计算了磁化率、比热,得到了外加磁场下体系的丰富相图,发现了具有拓扑性质的闭路气体相和电单级相,给实验研究提供了分析依据.

该方面论文发表后,被领域内专家给予了高度的评价,在几何阻挫系统、精确解领域产生了很大的影响.精确解可以给统计物理、计算物理、化学、以及实验物理提供基准性的测试平台,有论文还被收入统计物理精确解领域的著名专家、美国东北大学伍法岳教授的综述文章里：所做的“几何阻挫系统一三角Kagome格子上的自旋系统和精确解”的精彩学术报告,已放到中国最大的中文学术视频网站.

发展联电子材料磁性研究

近年来,由于在铜氧超导体、铁基超导体、锰氧化物、磁性半导体研究中的突破性进展,引发了人们对联电子材料的研究热潮.对这些体系中的磁有序和自旋动力学的研究成为重要的科学前沿课题.

姚道新教授在系统地研究铁基超导材料中的磁有序中,提出和改进了描述磁性的二维、三维自旋模型,和中子散射实验学家合作发现该类材料具有三维磁性特征,层内相互作用具有强烈的各向异性：探索了新发现的AFeSe类超导体的磁性,做出了理论描述：指出磁有序导致低温角分辨率光电子谱呈现各向异性：通过发展实空间的Hubbard模型平均场方法发现铁基超导体中存在自旋电荷的条纹相和向列相.他还提出量子临界相和磁有序相在高能情况下的磁激发呈现高度相似性,解释了很多实验结果.这方面的研究成果获得了领域内很高的认可,其中一个评价为“一个非常令人吃惊的结果最近被发现,那就是x和y方向的强烈各向异性.这些结果需要全新的微观机制去理解”.相成果在美国物理学年会上宣读,引起了较大反响；其中二篇论文的引用数超过100次.姚道新教授在磁有序方面的工作在联电子的磁性研究中产生了深远的影响,已引起国际同行的高度注,并于2011年受邀担任FrontiersofPhysics刊物纪念超导发现100周年专刊的特约编辑,于2012年担任该刊物的编委.

提出二维量子自旋系统电学控制

姚道新教授还在量子自旋系统的电学调控方面做了进一步的研究工作.他和合作者研究了拓扑绝缘体的表面磁性离子掺杂问题,因为表面上的电子受拓扑保护而成为巡游电子,可以为磁性杂质问形成一种被称作RKKY的自旋相互作用,并有可能产生反常量子霍尔效应.他们研究得到了磁杂质问的长程RKKY相互作用的解析表达式,提出通过电学的方法来调控自旋相互作用的大小和方向,这为研究二维量子自旋系统提供了一个干净的、可调控的研究平台.于RKKY相互作用的精确形式解已被用来讨论各种拓扑绝缘体和石墨烯表面的磁性相互作用,得到了其他方法的证实.他们于反常量子霍尔效应的预测,也与最近的实验结果相符.

此外,姚道新教授和合作者也探索了量子自旋系统在量子信息中的应用,研究了一维量子自旋链和量子点之间的耦合系统,探讨了量子相变和量子退相干的系.他们发现,当一维自旋链发生量子相变时,整个系统会经历一个量子退相干到经典退相干的突然变化.这是在理论上首次通过自旋系统发现量子相变和量子退相干的直接联,对实现固态量子计算提供了重要的参考.

建设高精学科

在科研团队方面,姚道新教授在中山大学已建立起一支朝气蓬勃的研究队伍,有多名研究生和高年级本科生加入,包括数名免推直博生.他们对该方向都充满热情,其中所指导的一名本科生在欧洲物理刊物EuropeanPhysicalJournalB发表论文一篇,多名学生在海内外的重要学术会议做学术报告,5名研究生获得中山大学“芙兰”奖学金.现今团队承担了国家自然科学基金面上项目、科技部973项目、教育部新世纪优秀人才支持计划、博士点基金、中山大学青年教师重点培育项目等,并在光电材料与技术国家重点实验室参与负责物理化学交叉项目的磁性研究工作.在教学方面,姚道新教授严格认真,勇于创新,受到学生的好评.

在学术交流方面,姚道新教授积极邀请国内外著名科学家到中山大学讲学,开展合作研究,包括美国科学院院士PatrickLee教授、波士顿大学AndersSandvik教授、香港科大吴大琪教授、南京大学闻海虎教授、复旦大学封东来教授等.姚道新教授还负责承办了第12届国际凝聚态理论与计算材料学会议、第3届计算物理会议一联量子体系计算方法研讨会,协助组织了中国物理学会2012年秋季学术会议、粤港物理学研讨会等重要会议,有力地促进了华南地区相学科的交流和发展.