姚裕貴給中學生講課
“最美科技工作者”頒獎詞
他在高深的理論科研中默默耕耘二十余載
也在教書育人的校園里固守多年
他在理論和估算化學的賽道上默默前進
為科技的未來降低了新的可能性
也將同樣的理念貫徹在教育事業中
培養出諸多涉足于科學事業的年青人
科學研究用勤勞澆灌
教書育人種出小樹參天
橘黃色彩的微觀世界里，一個個蜂窩狀結構規律排列，凝聚成一張起伏的“網”，充溢著迷人的光。
去年5月，數學學頂尖刊物《物理評論快報》的封面，刊載了一幅顯微成像下的圖片。它闡明了一種新的量子效應——北京理工學院化學大學校長姚裕貴團隊與美國合作者通過實驗觀測到鍺烯中的量子載流子霍爾態及拓撲相變。
“我們發覺了新的量子材料，具有更優良的性能。未來，它可能會代替許多當前的電子系統，應用于高能效電子產品的研發，例如現今很熱門的量子計算機。”外行看來晦澀難懂的概念，在姚裕貴的解釋下變得淺顯了好多。
為了“捕捉”到量子世界的這點點微光，他和同伴早已探求了12年。再向前溯源，姚裕貴雖然早已在數學學的高深理論開溝耘了20余載，他關于匯聚態化學、計算化學和材料化學的研究多次登上國際權威刊物，在反常霍爾效應、硅烯、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，他也因此在2018年至2022年連續榮獲全球“高被引科學家”名單。
前不久，姚裕貴在省委宣傳部、市婦聯等部門聯合舉辦的選聘活動中，斬獲2023年上海“最美科技工作者”稱號。作為這次得獎者中惟一一位理論和估算化學學家，他說：“只有化學學能夠滿足我們源源不斷的好奇心。”
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破解“百年命題”
“這份好奇心的起點是哪些？”
專訪姚裕貴約在他的辦公室——一張辦公桌、幾把凳子，環境簡單而純樸。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，認真思索了一會兒，答道：“我從小在農村長大，和數學學聯系最密切的，大約就是晚上漫天的星星。從宏觀的天體，到微觀的量子，數學學的奧秘吸引著我。”
高中時代，姚裕貴的數學成績就十分突出，中考時，他順利考上南開學院化學系。“大學四年，我幾乎每天都是課室、圖書館、宿舍‘三點一線’，看書就是我的娛樂活動。”回憶起學院歲月，姚裕貴的臉攀升起微笑。“那時侯，圖書館里和數學相關的書，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，只認為很充實。”
因為成績優異，姚裕貴在大三下學期就獲得了保研資格。學院最后一年，“沒事可干”的他就跟隨高年級的研究生一起上課，自學《高等量子力學》等理論化學的知識。到1992年專科結業，他基本學完了研究生一年級的課程，還憑借興趣自學了計算機專業課。
大學期間廣泛涉獵的數學學知識，為姚裕貴打開了愈加寬廣的學術研究空間。以后，他又相繼獲得了中國科大學成都光學精密機械研究所的光學碩士學位、中科院熱學研究所的熱學博士學位。1999年，姚裕貴步入中科院化學研究所博士后流動站工作。
豐富的科研成長經歷背后，離不開引路人的啟發。“每一位導師都有自己的個人魅力，她們的一言一行，深深影響著我。”說起導師的故事，姚裕貴打開了話匣子——
“我的光學老師是林尊琪教授，他為我國的激光聚變事業奉獻了一生，從不計較個人得失，遇見項目申報，他總把自己的名子抹除或往前挪，反復指出‘研究成果是集體智慧的結晶，要借助團隊’。”
“我的熱學老師是王自強教授，那位熱學‘大咖’的物理非常好，推論能力比我們用計算機推論還要強。從他臉上，我感遭到了科學家嚴謹的學術心態。”
“進入中科院化學所，我的導師是王恩哥教授，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，他每晚早晨7點鐘到辦公室，下午11點才離開。”
……
一位位引路人，陪伴姚裕貴從數學學學士、光學碩士、力學博士，一路成長為中科院化學所的研究員。不斷“跨界”的經歷，除了寬闊了他的學術視野，也讓他漸漸鎖定了研究方向——計算化學和匯聚態化學。
2001年末，姚裕貴抵達澳洲泰安學院奧斯汀校區訪學，深入研究反常霍爾效應。
反常霍爾效應，短短六個字，相當繞口。要理解這一概念，先得講講“霍爾效應家族”。1879年，法國化學學家霍爾發覺了霍爾效應，它定義了磁場和感應電流之間的關系，當電壓通過一個坐落磁場中的導體的時侯，磁場會對導體中的電子形成一個垂直于電子運動方向上的斥力，因而在垂直于電壓與磁感線的方向上形成電勢差。現在電子設備的好多傳感都與此有關。
五年后，霍爾的新發覺被叫做反常霍爾效應，即在有磁性的導體上，不外加磁場，也可觀測到霍爾效應。
自1881年反常霍爾效應提出以來，一直無法完善起完整的理論體系。在一場學術報告上，姚裕貴關注到這一數學學的“百年命題”。“這是一種基本的數學現象，并且這個效應背后的數學機理，還沒有人曉得。”他進一步解釋，人們對反常霍爾效應的理論機制和化學起源仍然爭辯不休，主要緣由在于難以完善起完整的理論體系和技巧對實驗結果作出定量解釋，甚至不能定性理解反常霍爾效應導致的相關數學現象，這就須要發展一套嚴格精確的估算方式，來證明現象背后的機理。
驗證的過程花了整整三年時間。“我很幸好，那種年代沒有如今那么‘卷’。”姚裕貴調侃地說，在美國訪學那段時間，他認識了好多優秀的學者，“大家由于對化學的熱愛聚在一起，下擺的學術環境，給了我和研究伙伴不斷試錯、改進的機會，讓我們沉下心來專注于探究某一個問題。”說到這里量子物理的應用論文，他停頓了一下，簡單提了一句：“從讀書起，我就仍然保持著一周工作6天的習慣，白天忙到十一二點很正常。”輕描淡寫的話語，并沒有透漏藏在一次次代碼調試、一張張推論演算紙里的“苦”，反倒透著一股一絲不茍、追求極至的勁頭。
總算，2004年，姚裕貴和研究伙伴在國際上率先發展了估算反常霍爾濁度率的第一性原理方式，創造性地將布里相效應融入到第一性原理估算中，定量地研究了典型鐵磁材料反常霍爾效應中基于布里曲率的內稟機制。這一重要學術成果為他在理論和估算化學領域的深入研究奠定了堅實基礎。其中，關于反常輸運的部分成果被寫進了美國主流教科書，他也因此成為該領域開拓者之一。
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從指責到首創
量子霍爾效應，被稱為電子運動的“交通規則”。通常情況下，材料中電子的運動沒有特定軌道，高度無序，電子和電子、電子和雜質就會產生碰撞，從而帶來發熱、能耗等困局。
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，如同高速道路上的車輛，各行其道，且不回頭。打個比方，這些效應如同“電子高速道路”。量子載流子霍爾效應也類似，是指找到了電子載流子方向與電壓方向之間的規律，借助這個規律可以使電子以新的坐姿十分有序地“舞蹈”，因而使能量耗散很低。這意味著，這一效應在制備低煤耗的高速電子元件領域大有可為。
在特定的量子阱中，特定材料制成的絕緣體的邊沿會形成這些特殊的效應。但是，它真的存在嗎？近來十幾年來，“捕捉”具有量子載流子霍爾效應的材料，成為匯聚態化學學家競相追逐的焦點。
姚裕貴也關注到了這一點。2006年，他受邀到日本數學學會四月夏季大會作一場學術報告，在蒙特利爾機場，他遇見了法國哈佛學院亞裔科學家張首晟。同在匯聚態化學領域精耕的三人，在異國的機場展開了一場學術交流。
當初，世界知名化學學家凱恩和米勒提出“單層石墨烯樣品中存在量子載流子霍爾效應”。張首晟敏銳地察覺到，這是一個十分有前景的預言，他毫無保留地將自己的看法分享給了姚裕貴。“我很謝謝張院長，他的觀點啟發了我。”姚裕貴說，經過一番討論，二人覺得，石墨烯樣品中存在的量子載流子霍爾效應可能微乎其微。
帶著同伴的“啟發”，歸國后，姚裕貴立刻展開了相關研究。他率先通過深入的理論剖析和精確的估算方式研究了石墨烯中的載流子軌道耦合互相作用，發覺純石墨烯中載流子軌道耦合能隙大小約為1微電子伏特，大小可忽視不計，由此可以推斷在石墨烯中很難觀測到量子化的載流子霍爾效應。2007年，相關研究成果發表，他大膽指責學術權威，提出了“量子載流子霍爾效應在純石墨烯中不可能實現”的觀點，糾正了此前“純石墨烯中載流子軌道耦合誘導的能隙約為毫電子伏量級”的普遍想法，獲得了國際上的廣泛認可。
與此同時，姚裕貴開始率領團隊和合作者嘗試通過實驗實現量子載流子霍爾效應。要實現這一目標，實驗條件十分嚴苛。特定的量子阱結構復雜、制備困難且僅能在極低氣溫條件下工作，極大地限制其元件應用。為此，在更高濕度下實現量子載流子霍爾效應，同時應用該效應設計低幀率的拓撲量子元件，找尋合適的簡單二維體系迫在眉睫。姚裕貴團隊另辟蹊徑，率先提出了在簡單二維材料中實現量子載流子霍爾效應的方案。
仍然到2011年，姚裕貴和團隊才找到合適的二維材料。他將此次發覺稱作“靈光一現”——既然石墨烯中很難觀測到量子載流子霍爾效應，和它同一“家族”的晶體樣本是不是可以實現？帶著這樣的構想，姚裕貴等人通過一系列材料設計的方案，在國際上首次強調：類石墨烯體系-硅烯、鍺烯等是二維拓撲絕緣體，并預言在該類二維材料中可在更高濕度下觀測到量子載流子霍爾效應。這篇論文發表在《物理評論快報》上量子物理的應用論文，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、引用次數排行第二的論文。文中所提出的理論模型成為該領域好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救大能隙量子載流子霍爾絕緣體的先河。姚裕貴介紹，硅烯、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，硅烯、鍺烯、錫烯具有更強的載流子軌道耦合、能隙易調節、谷自由度易極化、與當代成熟的硅基半導體工藝兼容等優勢，預計在未來的載流子電子學和納米電子學元件等領域具有寬廣的應用前景。
隨后12年間，姚裕貴與研究同伴仍然在嘗試“捕捉”硅烯等材料中的量子載流子霍爾態。
2022年，姚裕貴團隊和耶魯學院合作，在一種由鉍和溴元素制成的拓撲絕緣體表面觀察到溫度下的量子載流子霍爾邊沿態，而一般量子行為只有在高壓、強磁場或則接近于絕對零度的極端實驗條件下才會看見。這一發覺為進一步實現溫度下的量子載流子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。
憑著在匯聚態化學研究上的一系列成果，姚裕貴曾入選國家自然科學獎、教育部自然科學獎、北京市自然科學獎、中國科大學杰出科技成就獎等獎項。他還堅持做有用的化學，為國家解決急需問題，近些年來發展了基于微小用量含能材料能量釋放性能及感度快速檢查技術，彌補了相關領域技術空白。
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“兩個餡餅”的故事
傾心學術的姚裕貴，更看重的身分是老師。在他的課題組中，“兩個餡餅”的故事廣為留傳：為了節約時間，他的午餐常在辦公室解決，請中學生為他帶兩個餡餅成為他經常的選擇。“姚老師一定會在確認不繞道的情況下把飯卡給我們。有時你們也會取笑，明天姚老師的餡餅是幾點鐘吃完的。”北理工2016級博士生張閏午追憶，工作忙時，老師的喝水時間根本難以保證，有時離開實驗室時才發覺餡餅一口未動。
對于這個“傳奇”故事，姚裕貴聽得認真，卻不完全認可：“這只是中學生們對我勤勞工作的印象。我可不是天天這樣，常年下去太不健康了。”他話鋒一轉，又補充道：“作為導師，我確實要比她們更刻苦，不然中學生也不服氣呀。”
確實，從教以來，他一直以身作則，生活作息規律而簡單。去除出差，他沒有過一個完整的周末和假期，每周工作6天，“早8晚11”的工作模式是他的日常。
不僅學術研究，作為化學大學教授的姚裕貴還擔負著率領大學發展建設的重擔，同時承當著一線教學任務。怎樣在科研、管理、教學以及家庭生活中把握好平衡？對此，他這樣回答：“除了勤勞，就是高效，三者缺一不可。”
他也將這些理念貫徹到中學生培養中。“如果我們沒有好好打算小組會或在匯報時說得沒條理，好性子的姚老師也會非常吵架，由于他認為這是在浪費你們的時間。”一名博士生說。
“姚老師柔軟廣闊的知識學養和豐富的研究經驗是我們的寶藏，你們不管有哪些問題找他討教，就會獲益頗豐。”學生劉鋮鋮現在已成長為北理工數學大學的院長，他一直記得姚裕貴在課題組會議上常講的內容：“做科研，首先要有德，其次才是能。”
去年，姚裕貴團隊的研究成果再度登上《物理評論快報》，12年前團隊關于鍺烯中拓撲物性的理論預測獲得否認。這一次，她們和合作者除了實現了“捕捉”量子，還嘗試通過“操控”，形成新奇的量子化學現象。姚裕貴解釋，通過控制掃描隧洞顯微鏡的針尖到樣品隧洞結中的外置電場，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，鍺烯會打開拓撲乏味的帶隙，并伴隨著拓撲邊沿態的消失。“這種由電場造成的拓撲狀態切換和相當大的體能隙，使鍺烯成為溫度拓撲晶體管的候選材料。”
在姚裕貴的率領下，北理工數學大學在多項工作中取得突破性進展，他所培養的中學生大多步入院校或研究所工作，獻身前沿科研和人才培養事業。姚裕貴如數家珍般道出大學獲得的榮譽：“2022年，我們中學的數學學科獲準國家‘雙一流’建設學科，全省僅10所，我們是軍工高校中惟一獲準的院校，也是住建部七校惟一的雙一流基礎學科。”
現在，在理論和估算化學的賽道上，姚裕貴和他的團隊，一步一個腳印，往前奔跑著。
還有多久就能抵達終點？姚裕貴給出的答案樸實卻有份量：“科研是一個常年過程，沒有絕對的終點。我希望才能發覺更多新奇的化學現象，做更有用的化學，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。”
姚裕貴院長正在指導中學生做研究