上海市高溫超導重點實驗室教授、上海大學物理系副主任、超導與凝聚態(tài)物理所所長尹鑫茂

2004年，英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發(fā)現(xiàn)，用普通膠帶在石墨上反復撕離可以獲得石墨烯，并因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯只有一個碳原子的厚度（約0.34納米），因此也被稱為二維量子材料。它的發(fā)現(xiàn)讓此前一些只存在于理論之中的量子效應(yīng)能夠?qū)嶒烌炞C，也讓電池、CPU芯片等電子器件有了提升導電性能、縮小體積的巨大潛力?，F(xiàn)在，距離真正的“石墨烯電池”應(yīng)用仍較為遙遠，通過物理學基礎(chǔ)研究，深入了解和掌握石墨烯材料的性能，仍然是將石墨烯材料正式應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中不可繞過的一環(huán)。

尹鑫茂從事的正是這一環(huán)量子材料的基礎(chǔ)研究。尹鑫茂是上海市高溫超導重點實驗室教授、博導、國家級青年人才，現(xiàn)任上海大學物理系副主任、超導與凝聚態(tài)物理所所長，旗下團隊在國際上首次研發(fā)出新型量子材料的寬波段光譜學研究手段。與其他探測手段（如電子）相比，光譜學研究方法不破壞檢測物質(zhì)，也不需要極端的測量條件，探測成本不高，操作方便，因而具有獨特的優(yōu)勢，可以更好地研究包括石墨烯在內(nèi)的新型量子材料的性能及機理。2022年8月，尹鑫茂因這一技術(shù)突破入選“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計劃”。近日，尹鑫茂與澎湃科技展開對談，介紹了他將光譜學方法應(yīng)用于二維量子材料的研究歷程。

首度將特殊光譜學方法用于二維材料

尹鑫茂2010年起在新加坡國立大學物理系攻讀博士，期間參與到新加坡同步輻射光源國家實驗室的工作后，研究一直圍繞著光譜學展開。2015年起，尹鑫茂跟隨中國激光與光電子學專家、工程院院士范滇元進行了2年的博士后研究，將光譜學更多應(yīng)用到二維材料的研究上，同時拓展二維材料的應(yīng)用和波段，這為尹鑫茂的研究之路打開了新的大門。2017年后，尹鑫茂開始對二維量子材料的光譜學進行深入的研究與探索。二維材料只有原子級別的厚度，對其進行光譜測試也是一個不斷探索的過程。多年來，尹鑫茂不斷探索如何利用寬波段光譜測量二維材料，并提高二維材料的反射率，從而讓這種特色的寬波段光譜能更好地應(yīng)用于這些材料的測量。

每一臺光學儀器只能觀察光的一個波段，不同的光學儀器測量的波段都不一樣。尹鑫茂的獨創(chuàng)性在于，通過物理建模和一系列數(shù)學方程，將多臺儀器觀測到的不同光學波段進行疊加組合，從而構(gòu)建出更大的光波能量范圍。由于石墨烯、超導材料等量子材料的重要特性是電子間的相互作用非常強，而不同的量子態(tài)可能在不同的能量波段才能觀測到。通過擴大觀測的能量范圍，可以觀測到更多的量子態(tài)，研究它們相互之間的作用，從而更好地理解量子材料的一些物理機制。

光譜學的研究關(guān)鍵在于如何把每一段光波對接起來。尹鑫茂打了個比方，“就像我想要畫一個人，一臺儀器只能畫手、另一臺儀器只能畫腦袋，如果只把這兩臺儀器的結(jié)果放在一起，是無法拼成一個人的，因為你可能把手放在了腦袋上。”尹鑫茂解釋，“你要先知道人是什么樣子，看穿不同儀器檢測成果之間的本質(zhì)，再去建模，從而把它們拼成一個完整的人。”尹鑫茂接著解釋說，假設(shè)有五六段光波需要連接，首先要找到第一段和第二段的對接方法，然后再找到第二段和第三段的對接方法。這時如果二和三調(diào)整了，一和二也要相應(yīng)調(diào)整，不然就會斷開，這個尋找對接方法的過程需要長期不斷地調(diào)試和堅持，“基礎(chǔ)研究的特征就是你不會立刻看到結(jié)果，不會像工程技術(shù)那樣10年內(nèi)立刻就能看到巨大的提升，要研究就得持續(xù)投入?！?/p>

“我讀博士的時候，整整4年一篇文章都沒發(fā)表，因為我一直在做建模，一直沒有成果，相當于在從0到1地創(chuàng)造一個東西，連界限都沒有。做基礎(chǔ)研究就像寫代碼，你要不停寫，找到一些漏洞，然后再去修補?！币蚊硎?。但光譜學方法被證明成功之后，尹鑫茂的科研之路瞬間開闊了。僅過去5年里，他就發(fā)了60多篇有突破性的論文，“因為這種方法是獨有的，別人需要來找你合作?！?/p>

對外輸出技術(shù)協(xié)助科研和檢測

2021年尹鑫茂回國入職上海大學以來，利用自己的光譜技術(shù)發(fā)表了高水平論文20余篇。并以第一/通訊作者身份分別在Science子刊Science Advances、Nature子刊Nature Communications等國際頂級期刊發(fā)表高水平論文6篇，多項研究成果多次被雜志選為封面文章。

尹鑫茂的光譜學研究仍在繼續(xù)，因為將光的不同波段銜接起來是一個永無止境的過程，研究的波段可以更多地去添加。隨著波段的不斷添加，科研過程中捕捉到的細節(jié)也會越來越多，“一開始只是一個人的輪廓，我只要知道手在哪里，腦袋在哪里，就可以開展研究了，但如果要做到非常精細，我還可以繼續(xù)往里面補充細節(jié)，比如人的肌理、毛發(fā)等，讓它越來越清晰，這樣這個人就會更加活靈活現(xiàn)?！币蚊f。

現(xiàn)在在上海大學物理系，尹鑫茂搭建了3種不同能量范圍的橢圓偏振光譜儀，結(jié)合同步輻射光譜測量，可滿足各類量子材料的測量需求。在上海市高溫超導重點實驗室里，為了幫助高溫超導材料更好地進行產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用，尹鑫茂也利用自己的光譜學研究技術(shù)進行了一系列新材料的研究，以及高溫超導材料的仿真軟件模擬計算。

尹鑫茂向澎湃科技介紹，現(xiàn)在自己的光譜學研究方法已經(jīng)初步開始向全世界其他科研院所進行能力輸出，協(xié)助科研和檢測。他希望未來能將這種方法進行更廣泛的應(yīng)用，并進行產(chǎn)學研融合的模式探索。

談到未來的科研，尹鑫茂深知基礎(chǔ)研究的成果不會較短時間內(nèi)在應(yīng)用場景中體現(xiàn)，因此他不會給自己設(shè)下過于長遠的目標。對于近期的想法，尹鑫茂則表示，希望能把自己的光譜更加完善之后，運用到最新的材料研究之中，如95后青年物理學家曹原創(chuàng)造的多層轉(zhuǎn)角石墨烯結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的超導電性。

長久堅持是重要條件

尹鑫茂初中時因為興趣使然參加全國物理競賽并拿到二等獎，高中時拿到全國奧林匹克物理競賽一等獎，隨后被保送到浙江大學竺可楨學院。進了大學后，他毫不猶豫地選擇了物理學，之后再沒改變過。

“之前比較單純，并沒想過自己將來能不能賺錢，后來一直研究下去，也越來越覺得物理很有趣，并且自己的天賦也發(fā)揮出來了?！币蚊硎?。

談到科研之路，尹鑫茂表示，一路走來，身邊不乏最優(yōu)秀和聰明的人，但最后留下做科研的人并不多，究其原因，他認為是耐不住性子，坐不住冷板凳。這些年一路走來，尹鑫茂周圍大多數(shù)朋友都陸續(xù)放棄了科研，對此尹鑫茂一方面感覺可惜，另一方面也覺得做科研“一是天賦要好，二是要有運氣，三是要能長久堅持。三個條件缺一不可?！?/p>

此外，他認為穩(wěn)定的生活也給予了他極大的支撐，“我很幸運，在博士快結(jié)束的時候選擇了結(jié)婚。有了家庭的支持，我越發(fā)覺得研究物理能讓我樂在其中，科研隨后也取得了突破?！痹谝蚊磥?，“穩(wěn)定地呆在一個地方”對于科研工作者來說也很重要。

雖然自認是一個細水長流的人，但尹鑫茂也認為從事科研需要激情。在繁忙的科研生活之余，尹鑫茂喜歡看武俠小說，也喜歡去淳樸的東南亞國家旅游。提到金庸和古龍的武俠小說，尹鑫茂表示，“武俠小說可以刺激腦細胞，讓我更有激情，這也相當于是一種充電?！?/p>