这个夏日，探索新材料的极限

老师向学生讲解如何操作科学仪器 本报记者 陶磊 摄

本报记者 张炯强

复旦大学应用表面物理全国重点实验室是由我国著名物理学家谢希德先生倡导建立的实验室，于1992年12月底通过国家验收正式对外开放，至今已走过三十多年的历程。

这个实验室以表面物理学的概念、理论和方法为基础，在凝聚态物理、光物理、材料科学、信息科学的前沿开展基础研究及中远期应用研究。围绕新型半导体、磁性、关联体系、人工超构材料和新能源材料等研究领域的重大科学问题及未来应用设立主要研究方向，应对国家重大需求。

“极致净土”

这个夏日的几乎每一天，张远波教授的团队成员都在江湾校区物理楼实验室一台设备前忙碌，它就是超高真空二维器件制备系统，由团队自主研发。这个系统内部仿佛一片“极致的净土”，能在二维样品制备过程中，最大程度地保证材料表面和界面的清洁。它的本底真空度好于3×10-10mbar。在这样的真空度下，原子厚度的样品不会发生氧化变质，能展现出本征的量子物性。

近期实验最后得到的样品，名叫“二维黑磷场效应晶体管”，虽然小到肉眼看不见，但由于在微纳、光电器件方面可能存在很大潜力，近年引起不少实验室的关注。材料虽好，但亦有挑战摆在全球科学家面前，例如：大尺寸高质量二维黑磷合成难、环境稳定性差等。

此前，张远波团队和合作者解决了高质量黑磷晶体生长、二维黑磷器件制备等难题，开辟了二维黑磷这一新的研究方向，推动了二维材料领域的发展。相关论文作为二维黑磷研究的“开山之作”，引发了包括物理、材料、电子等多个领域对二维黑磷的基础与应用研究。

应用表面物理全国重点实验室是凝聚态物理研究的超级基地，聚焦研究固态和液态材料的宏观与微观物理性质，是物理学一级学科下属的核心二级学科，以发现新物态、探索演生现象、理解重大物理现象的机理、利用物态调控实现相关应用为根本目标。例如，高温超导、（分数、反常）量子霍尔效应、巨磁阻效应、准晶体、拓扑相与拓扑新物态等等。它为何如此重要？是因为这里的许多重要发现直接推动了当代信息科学飞速发展。晶体管、集成电路、CCD、巨磁阻存储等技术的突破，直接促成快速计算与高密度存储高端芯片的构筑，为人类进入现代化信息社会奠定了关键基础，因此还获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。此外，凝聚态物理对解决人类面临的能源问题也至关重要。

“国之重器”

如此看来，这个实验室不仅是基础研究之重镇，亦是“国之重器”。

据介绍，实验室确定的主要研究方向有4个：一、表界面中的非常规超导与强关联物理；二、拓扑物理与低维电子体系；三、低维磁性与自旋电子学；四、受限体系的物态表征与调控。既有各方重点关注的科学难题，又对标国家重大应用需求，涵盖了凝聚态物理研究最前沿领域。科学家在物理基础研究前沿做出有重要国际影响力的原创性成果的同时，努力打破国外技术垄断，将研究成果应用于信息、能源、生物医疗、国安等国家重大需求领域。

记者打开复旦应用表面物理全国重点实验室的网页，发现今年这里已产生多项科研成果，比如物理学系教授吴义政课题组和理论物理与信息科学交叉中心教授袁喆课题组深度合作，首次清晰揭示磁动力学中自旋角动量耗散的微观过程，阐明轨道激发在自旋耗散中发挥的关键作用，进一步精准解析出铁的费米面不同电子能带对磁阻尼的具体贡献；复旦物理系张童、中科大封东来团队与南京大学王锐课题组、中科院物理所董晓莉课题组合作，利用高分辨率隧道谱学结合输运测量与模型计算，揭示了超导体磁通钉扎的微观机理……

在实验室的电子显微镜下，科学家正忙着厘清原子排列、解析周围磁场、分析热力效应。短时间内，我们或许无法看出这些与普通人理解的科技发明如何相关，可事实上，这里就是当今我们享受到的无数现代科技成果的源头。