将量子这一名词运动起来，就有了这个题目。这是一份国家自然科学基金申请的立论。虽然在简约的思绪里，这是一个也许幼稚和浅薄的题目，但是量子铁电似乎并非一个简单的课题。这样做，凸显了一种用简单唯像的手法去斟酌一个复杂的量子话题，或者说对一个本不热激活的传统领域进行浅薄的量子手术。 ¾ ¾ 公益广告 ！ 我在博文里曾经杜撰了铁电体的故事 ( 效颦 铁电 I 、 效颦 铁电 II ) 。铁电体指有限温度下具有自发电极化、且极化可在外场下翻转的材料。物理世界中相互作用的竞争总是不朽的灵魂，铁电物理也是如此。铁电极化交互作用与热涨落竞争，一旦前者强度超越后者就诱发铁电相变，反之亦然。研究这类竞争及微观机制是铁电体物理的核心内容，虽则远未完备，就像很多物理分支里面的故事一样。统计物理框架下的朗道唯象理论和微观布里渊中心横光声子模软化冻结都与热涨落联系在一起，看起来很美。 不过，铁电体中竞争的角色并非独此一对。如果我们看看另一类类铁电体，例如 SrTiO 3 ，其极化交互作用较弱，需要热涨落被充分抑制 后 才可能导致长程序。沮丧的是，这种长程序竟然会遭遇另外一类涨落 ¾ ¾ 低温下才凸现出来的量子临界涨落 ¾ ¾ 的竞争，导致量子临界现象或称量子相变。铁电物理中量子相变即便不是后无来者，也应属前无古人。 此乃量子顺电体 (quantum paraelectrics) ， 其主要特征是：布里渊中心横光声子模直到温度 T 0K 依然无法冻结以形成长程铁电序；铁电序参量出现量子饱和，介电常数因为极化涨落变得很大，有铁电预相变征兆；晶体结构无显性铁电对称破缺。从粗浅层面看，量子顺电体中不同对称结构之间能量差别较小、简并度高，量子涨落能够调制这些简并态与铁电序竞争，导致丰富的物理。而所谓的量子临界涨落，其物理本质尚未完全明了。用最简单的语言，量子涨落是 T 0K 时与晶格振动关联的简并量子态所展示的量子临界行为或量子相变，虽然实际情况要复杂得多。 具有深刻物理意义的问题有两大方面。其一，简单铁电体低温量子涨落为凝聚态物理中量子临界行为研究提供了简单实用的平台，其最大优点也正是金属或窄带半导体的缺点：金属或半导体在费米面附近态密度很高，导致多重激发，掩盖了量子相变。其二，对正常铁电体，极化关联具有较大能量尺度，例如 ~0.1eV 量级 ，所以内禀与外界干扰须提供足够大能量才能显著调制铁电序及其与热涨落的竞争，而这真的不容易。对量子顺电体，铁电关联与量子涨落的能量尺度都应在 ~meV 甚至更低，施加超过这一能量的内禀与外场对我们可以说是易于反掌、手到擒来。因此，调控量子顺电体中铁电长程关联与量子涨落的竞争，获得丰富而显著的物理新效应、新性能，是一件快乐的事情。 当然，这种竞争调控思路决非新颖，正如我的思路从来就很少新颖别致一般，前人已经兢兢业业过了。从基础研究角度看，量子相变本身就是凝聚态物理的热点领域，只不过量子顺电性从来就不是其重点研究对象，也就有了我们这些下里巴人去深入研究的必要性。即便如此，已有工作也揭示出铁电序与量子涨落共存竞争的诸多新颖现象，反映在相变动力学、电学、磁学、光学等性质的变化及相互耦合调控 。一方面，抑制量子涨落可以凸现各类铁电序 ；另一方面，应该可以发展更多手段来提升量子涨落，抑制铁电序 。我们似乎找到一个左右逢源之路，可以沾沾自喜而乐不思楚了。这种共存、竞争及调控是导致与量子临界性有关的丰富物理之根源。这是基础研究驱动力。 如果我们一定要有一点应用前景来铺垫的话，量子顺电性并非毫无作为。量子顺电体一般具有高介电常数和低损耗，对电场和温度可调性高，甚至可能有极高压电性 、 光控介电存储、非线性光学翻转 、 热电性等性质 ，所谓山外无形俱有形大概就是这个意思 。虽然以我们有限的能力尚不能梦萦格物之神韵，但围绕量子临界性与铁电序竞争这一核心，谁知道是否就没有更多潜在应用价值呢？！这是应用研究驱动力。 有了上述几方面背景和驱动力，我们有理由来回顾量子顺电研究的历史脉络和发展趋势，从中归纳出关键科学问题，虽然这种归纳不免挂一漏万。 对量子顺电性的关注始于 1960 年代在 SrTiO 3 中观测到介电常数于低温形成高介电平台，与长波横光声子模软化紧密联系。量子涨落使邻近相变处大的铁电涨落得以稳定，无法最终冻结成长程序 。从 1970 年代开始界定为量子顺电研究的第一阶段 ，虽然尚存争论 。新的研究热潮始于 1990 年代，电子顺磁共振揭示量子顺电区域存在类似于液氦超流相变，可能源于最低横声子与软横光声子模耦合，首次在量子顺电体中定义相干量子态和临界性 。国内对量子顺电性的研究有一定代表性 。对这些工作进行分类综合、凝练提高，可以归纳出可能的研究思路和关键问题。 首先， 戚戚之路，胜于有声！外部或内禀参量能够影响铁电序及量子临界行为。探索新的量子顺电材料是当前量子顺电性调控的核心内容 ， 其物理依据如下： 既然可通过多种手段诱发铁电序，掩盖量子涨落，那么 掺杂、应力、电场等都可引入铁电态 。从竞争角度看，量子临界区内铁电性的标度行为不同于传统朗道标度 ，相变动力学也有悖于传统铁电体 。量子临界涨落看起来也能够被调控，例如通过改变自旋 - 轨道耦合调控量子临界行为 。不过，这类调控研究还处于初始阶段，对其背后物理尚无明确认识 。 其次，嗷嗷之哺，胜于远山！在调控量子临界行为的基础上，研究各种物理性能在量子临界区域的变幻。这一立论的最佳说明清晰地示于下图，其物理依据如下：量子临界涨落对电子结构有重要影响。加入量子涨落完全抑制铁电相 。在量子临界区域内存在独特极化构型，存在局域结构关联，存在异常霍尔效应。这些工作预示出量子顺电体电子结构对量子涨落敏感，调控量子涨落可成为调控电子结构的有效手段。 (S.E.Rowley et al , ) 再次，孕孕之苦，胜于极乐！量子涨落对低维材料结构的影响将更为昭彰，值得暮色葱茏。其物理依据如下：空间维度下降意味着关联度降低，空间波函数弥散，量子涨落效应会表现得更加明显。例如，量子涨落抑制纳米点铁电 矩 态的转变，破坏其极化涡旋结构，促使低温下极矩化率出现饱和，预示可能存在先兆铁性环矩 。薄膜制备技术的发展使高质量外延异质超薄膜成为可能，给了使用衬底对称性和晶格常数调控量子顺电体声子冻结的可能性 。 上述三个方面的物理依据使我们可以提出两个重要命题： (1) 量子临界涨落的概念应该可以推广和外延。针对铁电序冻结 ( 形成 ) ，抑制这种冻结的量子过程应该可视为量子涨落的组成部分。例如，引入少量巡游电子将可能调制晶格畸变与局域晶格对称性，却不会明显破坏铁电长程序，是否等价于提升量子临界涨落应属新问。其次，引入少量磁性杂质也不会明显破坏铁电长程序，却带入自旋涨落与关联，调制局域晶格对称性，是否等价于量子涨落应有山水。再次，引入既无巡游电子也无自旋的结构缺陷 ( 如拓扑缺陷 ) ，也可能引入某种量子涨落 ，应属佳肴 。 (2) 拓展新的量子顺电体。针对那些随量子而动的新型铁电体 ，由于其 极化关联交互作用也在 meV 量级甚至更低，量子涨落与之竞争在伯仲之间，通过调控量子临界涨落或者极化关联，可能获得量子铁电性甚至量子顺电性。这里的新意是铁电序来源于自旋 - 轨道耦合，适度引入自旋涨落将促使铁电序走向量子顺电性，从而可能获得含自旋序的量子顺电性和磁电耦合。 呜呼，两个命题，两重风影；既有之乐，已满春风！ 参考文献： 1. K. A. Mller, and H. Burkard, Phys. Rev. B. 19, 3593 (1979); J. G. Bednorz, and K. A. Mller, Phys. Rev. Lett. 52, 2289 (1984). 2. O. Svitelskiy, A. V. Suslov, J. B. Betts, A. Migliori, G. Yong, and L. A. Boatner, Phys. Rev. B. 78, 064113 (2008). 3. V. V. Lemanov, A. V. Sotnikov, E. P. Smirnova, M. Weihnacht, and R. Kunze, Solid State Communications. 110, 611 (1999). 4. G. Geneste, J. Kiat, and C. Malibert, Phys. Rev. B. 77, 052106 (2008). 5. S. E. Rowley, L. J. Spalek, R. P. Smith, M. P. M. Dean, G. G. Lonzarich, J. F. Scott, and S. S. Saxena, arXiv. 0903.1445 (2009). 6. M. Itoh, R. Wang, Y. Inaguma, T. Yamaguchi, Y-J. Shan, and T. Nakamura, Phys. Rev. Lett. 82, 3540 (1999). 7. T. Wei, Y. J. Guo, P. W. Wang, D. P. Yu, K. F. Wang, C. L. Lu, and J. M. Liu, Appl. Phys. Lett. 92 , 172912 (2008). 8. D. E. Grupp, and A. M. Goldman, Science 276, 392 (1997). 9. M. Takesada, T. Yagi, M. Itoh, and S. Koshihara , J. Phys. Soc. Jpn. 72, 37 (2003). 10. T. Hasegawa, S. Mouri, Y. Yamada, and K. 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引子：【 兰陵王 自醒 】 夏初旭，扬起层层碧绿。飞纤絮，蒙断旧尘，更是骄阳落芭簇。不觉又苦楚。飘忽，庭深院肃。抬头望，天本向蓝，何处飞来子时雾。 闲愁甚无助。看巷尾街前，清淡如故。十年忠事一年禄。曾背月荒日，举良锄莠，平凡卓越拒茧缚，尽与此生骛。 长路，浣溪慕。正细雨磐石，击水歌露。千帆散去空余渡。应隐却浮幻，伴登高处。沧沧之上，浪卷起，自有度。 我只睡了四个小时，两眼发红，匆忙来去参加一个关于氧化物物理学的讲习班。当前氧化物物理中两大吊人眼球的主题当属高温超导体和多铁性单相氧化物，而我唯一感叹的不过是在中国却几家欢乐几家愁。中国的高温超导、特别铁基超导研究如火如荼，有科大和物理所等几支团队风头正劲、成果斐然，引起行内广泛好评。多铁性单相氧化物的研究在我国起步也不算晚，区区五年过去，我们却落后美日很多很远，除了几个理论小组还勉强过得去之外，实验研究落伍尤其明显，令人唏嘘。这是过去多年来中国在自然科学领域所展示的中流击水、不进而退之又一个典型事例。因此，作为多铁性物理研究的一分子，我感到羞愧与惶恐。 我国从事多铁性研究的大专院校与科研机构比做高温超导研究的多很多。因此，我对于让我去做报告的会议与科研机构之要求来者不拒，以让自己能够尽心竭力去介绍我国目前在多铁性氧化物研究所呈现的尴尬与落后局面，让尽可能多的学生 和年轻 老师明白多铁性物理和多铁性应用的核心应该是什么、我们还有什么可以做的、还有什么是不应该做的。 多铁性单相氧化物物理目前的两大主演是 BiFeO 3 (BFO) 基为主的 A 体系和以锰氧化物为主的 B 体系。它们在过去几年各领风骚半边天，精彩纷呈顾不暇。关于它们相互较劲、潮起潮落的故事在 Nature 系列、 Science 、 PRL 和 AM 几个刊物里有详细的记录，你可以端起一杯大红袍，慢慢品味，细细揣摩，让故事连成连续剧，放他三年不为长。 A 体系在多铁性中占有非常独特之地位，因为它们具有较高的铁电转变温度，最接近实际应用，其 62nm 的 Fe 自旋螺旋结构最近也开始备受青睐。经过伯克利 Remesh 和威斯康星 Eom 等人的艰苦努力，对 A 体系进行大规模整容处理，完全不输传说中的偶像迈克尔。我们已经知道， A 体系薄膜的铁电性质已经如此优越，超过传统铁电体，甚至让人开始忘记它是一个多铁体。这种性质在单晶和多晶中无法获得，体现了整容手术的威力与魅力。 其次，虽然对 A 体系中铁电畴与磁畴的交会与耦合也作了深入的实验探索，但总体而言，我不认为 A 体系是地地道道的炎黄子孙，因为其铁电性与磁性的来源不同，相互之间耦合比较弱。这就好像歌唱得不专业的歌星，但形象比较酷、也能够琅琅上口，所以获得众星捧月的地位。 除了薄膜制备及相关器件物理研究之外， A 体系陶瓷制备起来很像大火煎鸡蛋，不是糊了就是蛋黄流了出来，很不容易拿捏火候。其结构复杂，成份难于控制，以至于一百个小组可以作出五百种实验结果，其外貌是如此的精彩纷呈，不知道哪儿是真，哪儿是假。经过几年的广泛研究， BFO 体系似乎已经被众多观众翻来覆去地看透了，直到剑桥大学的 J. F. Scott 最近在 AM 上长篇大论，才让我们有世事沧桑之感。最近有关 BFO 单晶的工作也让我们看出， A 体系的精彩是在多铁性之外，如果不整容的话。 我国开展 BFO 体系研究的队伍很多，大多数都在追随先人的足迹，虽则千辛万苦，却没有走出多少新路。我愿意呼吁，对 A 体系的研究已经是万水千山，继续追随前人开展烧结、掺杂、纳米化等方面的研究需要有创新的物理思路和明确的应用目标。如果没有，目前对 A 体系的研究氛围不应该是国人的明智选择。 另一位主演 B 虽然在美日欧红得发紫，在中国却没有获得青睐，虽然她更专业、更美丽、也更深邃。目前国内涉足 B 体系实验研究的团队屈指可数，比铁基超导研究团队少得多了，让我有苍山高去、雾褐重重的感觉。 B 体系更专业体现在物理上更纯正和更富有新意，是强关联电子系统的典型代表。说她更美丽则体现在自旋构型的丰富多彩，这种丰富多彩的自旋构型是产生铁电性的起源，因此对 B 体系的青睐成为走向多铁性物理之核心的必由之路。说其更深邃则在于这种自旋构型是多体交互作用之间的精细平衡与竞争之结果，从而给人以发挥智慧取得四两拨千斤功效的机遇。 关注 B 体系的挑战在于我们需要极端条件，包括很低温度、很高磁场、很强的中子源与 X 光源、很小波数的光谱、很高质量的材料。因此， B 体系在我国无法走红的原因也就一清二楚。为此，我也深感国人之无能为力与望空兴叹。 我们目前能够做的至少应该是有更多的团队参与进来认识和追星 B 体系，有更多的尝试来发掘更多 B 系统之专业、美丽与深邃，有更多的资源来整合团队协作与攻关，有更多的机会参与国际合作实验。作为第一步，我们需要认识 B 体系，希望有更多的学生和年轻研究人员参与进来。对 B 体系目前的现状与问题，我们最近给出了一个不错的概览与总结，读者可以在 Advances in Physics 58 (4), 321-448 (2009) 中找到。文章的链接是： http://www.informaworld.com/smpp/content~db=all~content=a912522338 谢谢各位！
那是我青春年华的末尾， 28 岁之时，我在德国哥廷根大学作访问研究。那天，在友人家里作客，与他们一起看电视里的画面。电视频道直播迈克尔 杰克逊(Michael Jackson)在(伦敦？布加勒斯特？)的演唱会。那是我第一次见识这位摇滚歌星、第一次看他的演出、第一次让耳朵在他的音乐中起舞弄音和休养生息。 虽然离开现场很远，但我觉得与迈克尔靠得很近，可以第一次放肆地让自己的个性在他的舞蹈与幻影中相变。我觉得与他的音乐也靠得很近，可以第一次在嘈杂与疯狂的轻率中体会深沉的和谐。我也觉得与他的歌唱靠得很近，可以第一次为我未来或走在路上、或窝在 KTV 中、或独自靠在办公室的桌椅中，将深情和优美寓于那游丝一般行走的哼唱里。那次直播让我第一次领略到生活中也是可以将喜欢与爱深藏在碌碌无为抑或是舞动不安的不平凡与不平常之中。 我请求友人将那天的录像为我转录了一份，随后又去到街店买了他的两盘录音带，一起带回国。遗憾的是，不久的一个夜晚我在录制一台晚会的录像时失手将迈克尔的非凡身姿无情地抹去了，让心痛伴随我很长很长时间。我再也没有去拆封那两盘录音带。 此后的很多年，我偶尔在 HTV 店里、在大街上、在梦幻的深处听迈克尔的歌唱，直到今天清晨听说他在加州家中殒落的消息。多少年来与迈克尔那些零星的相逢，就像我们在人海人潮中依稀看到故人一样，欲罢回头而莫回头，欲罢记忆而莫记起，只要在心中某个角落里温暖就好。 过去很多年，所有有关他的负面新闻都没有在我心里激起任何反感，而回顾他的歌声和表演却总会有丝丝涟漪。我能够体会一丝他的痛苦和孤独，就如我们自己的痛苦与孤独一般。对迈克尔而言，创新之后还要创新，因为他憎恨碌碌无为，不愿在创作激情涌退与内心沉迷中慢慢地衰弱。友人曾经说：迈克尔是激发的精灵，长此以往，他不大可能活过 50 岁，而他今年也正好半百。 迈克尔的音乐，像 heal the world 那样传唱世界的并不是他的经典，也不是他的本性。他是 beat it 的受体，是 bad 的代理，是 dangerous 的导师，是 billie jean 的幽怨，是 smooth criminal 的倾斜，更是 will you be there, you are not alone, the girl is mine 的唯一。他的歌唱则是 温柔背景下的狂野，是抒情背景下的卖弄，是激越高亢的生命，是早早殒落的定数。他的表演充满传承与创新、陌生与惊喜、出位与流行、温馨而芳香。 作为学人，也许我们并不以为迈克尔与我们有何干系；即便作为社会人，我们也远不会与迈克尔殊途同归。然而，他是我们同时代的印记和异常，是带给我们感受创新孤独的影子，因此我们更愿意从迈克尔那里找到知音与灵感。当我们去崇拜上一代的费曼之时，其实我们内心更加崇尚迈克尔。费曼将绅士与个性映衬在物理学现代史那天才的浪漫里，当他将墨西哥的西班牙风情手鼓击拍得充满共振的时候，物理在那时蒙上了面纱。而迈克尔完全不同，他总是将浪漫寓于激情之中，将美好而温柔的东西进行创造性地 coarsening( 粗晶粒化 ) 处理，因此，创新对于迈克尔是比费曼更加生命的生命。迈克尔为那些充满烦躁和狂闷的人们与美好温柔之间架起了无形的桑德拉大桥。迈克尔是一种独特的风格和行为，前无古人，也许还后无来者。 迈克尔所有的音乐作品，除了那些应景之作 ( 如 heal the world) 之外，都能让我们感受到背景的优美和协调。这于学问而言是已有知识体系的布景，是美而和谐的。这些作品却还几乎无一例外地拥有声嘶力竭、顿挫、起伏、躁动等激发的元素，总在企图突破、冲击、失败、再冲击。这些元素和冲击为我们这些躺在前人成就之上优越着的学人所缺乏。浅薄的知识尽管是片断、是低维元素、是飘浮不定的破损与缺陷，却代表创新；而深厚的学问是和谐、连续、细致的有序和厚实，是优美，也代表无为。我们很多学人擅长其一而怠慢其二，而将浅薄与深厚进行完美而新奇结合的，正是用音乐阐释其中绝代般技法和漫天般艺术的迈克尔。 多少年来都难以忘怀迈克尔、难舍他的歌唱与表演，也许同样是因为浅薄与深厚在我和很多人心中结缘，更在我和很多人的学问之道上交汇。迈克尔离去不会在我们心底涟漪起泪与伤感，因为他的那些声嘶力竭、顿挫、起伏、躁动等元素已经成为我们支配生活一点一滴的一类机制。他离开这个世界，那是他自己的事情。我们会继续用这一点一滴的机制来调控我们的路，它们已经属于我们，已经成为我们的救赎，不管迈克尔今天是不是离去。 ( 090626 )
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