2015年度国家科技奖励公示材料-国家自然科学奖

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1、2015年度国家科技奖励公示材料-国家自然科学奖一、项目名称：低维体系量子输运的理论研究二、推荐单位：中国物理学会三、项目简介：低维体系的量子输运研究是凝聚态物理领域的研究热点。这一领域包括整数和分数量子霍尔效应等在内的许多重要发现先后获得了诺贝尔物理学奖，深化了人们对量子现象的认识。当前随着科技的迅猛发展，集成电路的尺寸极限问题日益尖锐，而低维体系凭借其独特的体系特性，有望为突破现代信息技术瓶颈提供可行的方案。同时石墨烯、拓扑绝缘体等新型材料的实现，也使得人们对低维体系的研究不断掀起热潮。因此，对低维体系量子输运现象进行深入的理论研究、发展量子调控的可行方案是这一领域的重点。谢心澄、孙庆

2、丰、施均仁长期从事低维体系的前沿理论研究，并积极推动相关实验领域的发展。本项目组也是国际上最早从事低维体系自旋电子学、拓扑绝缘体研究的团队之一。围绕低维体系量子输运研究，特别是在对低维体系电荷及自旋输运、拓扑绝缘体等新型量子效应的研究及相关的量子调控新原理、新方案的提出方面，作出了重要原创性成果。本项目8篇代表性论文被SCI他引575次，20篇核心论文被SCI他引1175次。主要科学发现及成果影响情况如下：（一）率先用光子辅助模型对实验观测到的由微波诱导的二维电子系统中零纵向电阻现象作出了系统解释，是该领域最早发表的两篇理论文章（同期在PRL发表）之一，也成为目前较被认可的理论。发现该现象

3、的K.vonKlitzing（诺贝尔奖获得者）等的德国和美国两个实验研究组在系列实验研究论文中曾持续引用了本项目组的工作；综述文章也评价该工作提出了“抓住该物理图像的简洁理论模型”，并对这一工作进行了大篇幅引用和介绍。（二）研究自旋流的定义，解决了自旋电子学领域的一个基本问题，对自旋电子学相关后续工作具有重要意义。项目组提出角自旋流的概念，完善了对自旋输运的描述，还发现自旋流能引发周围的电场，类比于毕奥-萨伐尔定律和安培定律描述的由电流激发的磁场。项目组另外提出自旋流算符应该是自旋位移算符(即自旋与位置算符的乘积)对时间的全导数，从而可以在实验中直接地测量。这些工作被综述文章及Scienc

4、e杂志文章等广泛引用及评述。（三）研究退相干及无序对拓扑绝缘体的影响，是国际上最早的相关研究成果。项目组率先研究了普通退相干和自旋退相干两类对量子自旋霍尔效应的影响，并引入一个新的物理量，即自旋霍尔电阻，发现它可以在宏观体系中被观测到，说明了它是更能全面反映量子自旋霍尔效应的拓扑特性的物理量。这一研究不仅解释了Science杂志中发表的实验结果，也被更多的实验及计算工作者认可，用来解释一些理论计算结果和实验现象。另外，项目组率先研究了无序对HgTe/CdTe半导体量子阱输运性质的影响，发现无序能够引发系统的量子化转变,使系统进入“拓扑安德森绝缘态”，被物理学权威期刊Rev.Mod.Phys

5、等作为最早的相关研究之一引用。（四）提出调控自旋输运的一系列新方案，包括提出利用自旋轨道耦合在低维体系产生自旋极化流和自旋积累的方法，在有自旋轨道耦合的体系中首次预言有持续纯自旋流等，相关研究工作推动了许多后续成果的出现。一、主要完成人情况表第一完成人姓名技术职称工作单位完成单位获国家科技奖励情况谢心澄讲席教授北京大学中国科学院物理研究所无对本项目技术创造性贡献项目负责人，总体设计者。提出学术思想，指导和设计理论研究框架，主持分析和总结研究结果。对重要科学发现点1-4作出了创造性贡献，是第1、2、4、5、6、7、8篇代表性论文的作者。主要学术贡献有：（1）提出基于非平庸的系统态密度和光子辅

6、助输运的简洁理论模型，成功解释微波诱导的“零电阻”现象的主要实验特征；（2）研究自旋流的定义，率先预言自旋流能产生电场，并给出自旋流元产生电场的公式；（3）研究退相干及无序对拓扑绝缘体的影响，提出自旋霍尔电阻这一新的物理量并解释相关实验现象，提出无序能够引发HgTe/CdTe半导体量子阱进入“拓扑安德森绝缘态”；（4)提出利用自旋轨道耦合在低维体系产生自旋极化流和自旋积累的方法，首次预言在有自旋轨道耦合的体系中有持续纯自旋流。第二完成人姓名技术职称工作单位完成单位获国家科技奖励情况孙庆丰教授北京大学中国科学院物理研究所无对本项目技术创造性贡献项目执行人。对重要科学发现点2-4作出了直接贡献

7、，是第2、4、5、6、7、8篇代表性论文的作者。主要学术贡献有：（1）研究自旋流的定义，率先预言自旋流能产生电场，并给出自旋流元产生电场的公式；（2）研究退相干及无序对拓扑绝缘体的影响，提出自旋霍尔电阻这一新的物理量并解释相关实验现象，提出无序能够引发HgTe/CdTe半导体量子阱进入“拓扑安德森绝缘态”；（3)提出利用自旋轨道耦合在低维体系产生自旋极化流和自旋积累的方法，首次预言在有自旋轨道耦合的体系中有持续纯自旋流。