建設基礎學科“高峰”
——應用表面物理國家重點實驗室

應用表面物理國家重點實驗室隸屬于復旦大學物理系，是由我國著名物理學家謝希德先生親自倡導建立的實驗室，于1989年年底通過國家計委組織的專家論證，1990年開始籌建，1992年12月底通過國家驗收并正式對外開放，至今已走過20多年的歷程。在歷年來參加的國家重點實驗室評估中均被評為良好。

復旦大學物理系

抓住機遇，順勢而為

應用表面物理國家重點實驗室以表面物理學的概念、理論和方法為基礎，在凝聚態(tài)物理、材料科學、信息科學的前沿開展基礎與應用基礎研究。面向國際學科前沿和國家經(jīng)濟與國防安全的重大需求，實驗室圍繞新型半導體、磁性、關聯(lián)體系和人工帶隙與超構材料等研究領域的表面與界面科學問題，設立主要研究方向，旨在將實驗室建成本領域國際知名的學術基地、人才培養(yǎng)基地、服務全國的基地、應對國家重大需求的基地。

進入21世紀以來，國際上表面物理的發(fā)展呈現(xiàn)出了新的趨勢，主要是利用表面物理的概念和方法，研究各種新型微小尺度、低維和多層薄膜材料中的新現(xiàn)象及相關應用。隨著人們對材料和結構體系的研究興趣從三維轉向低維（二、一、零維量子體系），從宏觀轉向微觀（微納材料和微小體系），從均勻成分的單片體材料轉向由不同成分組成的多層膜和超薄膜，研究對象的表面積（界面積）和體積之比越來越大，表面（界面）在決定材料性質中的作用越來越重要，許多新型材料的光、電、磁和自旋特性等受表面和界面的影響也更加突出，這些都使得表面物理的研究與微納電子學、光電子學、磁電子學或自旋電子學的關系更加密切。

應用表面物理國家重點實驗室的定位正是順應國際上表面物理發(fā)展的這一趨勢，開展表面物理相關的前沿基礎研究，同時也面向國家安全和國家經(jīng)濟重大需求開展表面物理相關的應用研究。根據(jù)這個定位實驗室確定了以下4個主要研究方向：

1、表面與界面中的新奇物性，主要開展半導體和復雜氧化物的表面/界面的結構與電子態(tài)；強關聯(lián)體系和高溫超導的新材料、物性、和電子結構；半導體磁性納米結構的表面/界面效應、量子尺寸效應、自旋輸運及復雜磁性材料的相變行為；同步輻射在表面研究中的應用等方面的研究。

2、表面與微結構的光物理和作用，主要開展有機半導體中的電荷傳輸、有機光電器件中的界面效應、磁效應；新型超構材料及超構材料在微波通訊上的應用；光子晶體和等離子體激元電子學；小量子體系和微腔的光電子學等方面的研究。

3、表面與界面的理論和計算物理，主要開展表面、界面電子態(tài)與聲子態(tài)理論；復雜凝聚態(tài)體系和復雜流體的計算和設計；量子自旋系統(tǒng)和它們的動力學；微結構和介觀體系理論；固體的光子能帶理論等方面的研究。

4、表面物理與其他學科的交叉研究，主要開展智能電流變液；蛋白質折疊及腫瘤的熒光診斷；蛋白質相關的計算生物物理；雷達和天線設計等方面的研究。

如今，實驗室的目標是在國際上代表中國的表面科學發(fā)展水平，在專業(yè)領域中占有一席之地和擁有話語權，在部分方向上能夠引領國際表面物理的發(fā)展，與此同時，為國家安全和國民經(jīng)濟的重大需求提供最先進的技術支持。

潛心研究，久久為功

應用表面物理國家重點實驗室現(xiàn)有固定人員77人，其中研究人員66人。在66名研究人員中，其中教授（研究員）61人，副教授（副研究員/青年研究員）5人，包括中國科學院院士5人和中國科學院外籍院士1人，原國家“973”首席科學家5人和原國家“973”青年項目首席科學家1人，長江特聘教授8人、國家杰出青年基金獲得者14人，“青年千人計劃”14人。同時，實驗室還配備了一定數(shù)量的技術人員，為儀器設備的運行和共享提供了良好的硬件環(huán)境。此外，實驗室設立了專職管理人員，保證實驗室的行政管理和日常工作順利進行。

實驗室在表面物理相關的前沿基礎研究方面已經(jīng)做出了一批重要的研究成果，有些研究成果甚至領先國際同行。例如，在表面與界面等低維體系中的關聯(lián)效應研究方面，實驗室關于鐵基超導體KxFe2-ySe2反常電子結構的工作發(fā)表在2011年的Nature Material期刊上，被該雜志選為其自創(chuàng)刊10年以來發(fā)表的20個里程碑工作之一，至今已被引用225次；在半導體二維晶體研究方面，實驗室成功制備了基于新型二維晶體黑磷的場效應晶體管器件，該工作發(fā)表在2014年的Nature Nanotechnology期刊上，在國際上受到了廣泛關注，短短一年的時間就已被引用122次，引領了國際上對二維晶體黑磷材料和器件的研究熱潮。

半導體和復雜氧化物的表面/界面的結構與電子態(tài)；強關聯(lián)體系和高溫超導的新材料、物性、和電子結構；有機半導體中的電荷傳輸、有機光電器件中的界面效應、磁效應……普通人對這些專業(yè)的研究領域可能無法理解，但其實它們都是國家安全和國家經(jīng)濟重大需求的基礎，也是一個國家科技實力的體現(xiàn)。

比如現(xiàn)在人們熟悉的計算機、手機等，其基礎就在于對半導體硅的功能的發(fā)現(xiàn)。如今，科學家一直希望能夠找到現(xiàn)在電子產業(yè)中最常用的半導體材料硅的替代品，復旦應用表面物理國家重點實驗室的研究成果，使我們離這一目標步步逼近。有了這些新基礎研究的突破，我們才能在未來見到真正意義的量子計算、室溫超導。

2019年1月，實驗室研究人員與美國加州大學伯克利分校王楓教授課題組合作研究發(fā)現(xiàn)了三層石墨烯內的可調莫特絕緣體，通過實驗證明了石墨烯可以通過調控，實現(xiàn)了從導體到莫特絕緣體的轉變，從而將石墨烯引入了強關聯(lián)物理研究領域，為下一步研究石墨烯中的超導提供了基礎。相關研究于1月21日以《三層石墨烯摩爾超晶格中的可調莫特絕緣體的證據(jù)》發(fā)表于國際期刊《自然·物理》雜志。

該項研究與MIT的Pablo Jarillo-Herrero實驗室在“魔角”雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)莫特絕緣態(tài)有異曲同工之妙。而且該項研究還實現(xiàn)了能帶可調的莫特絕緣體，這也是國際上首次在二維材料里面實現(xiàn)能帶可調的莫特絕緣體。石墨烯的組成元素只有碳，結構也相對簡單，便于研究人員后續(xù)建立相關理論模型，將為理解強關聯(lián)物理以及非常規(guī)超導提供一個極具價值的研究體系，也拓展了二維摩爾超晶格的強關聯(lián)物理這一全新的方向。

近日，實驗室研究人員首次在少層黑磷中展示了層間范德瓦爾斯相互作用的應變調控，并發(fā)現(xiàn)反常的應變依賴關系。6月4日，研究成果以“少層黑磷層間范德瓦爾斯相互作用的應變調控”為題在線發(fā)表于《自然·通訊》。

自2004年石墨烯問世以來，層狀材料引起廣泛關注。范德瓦爾斯異質結在其中饒有趣味。分數(shù)量子霍爾效應、石墨烯中能隙的打開、非典型超導、可調控的莫特絕緣體、超長壽命莫爾激子……研究已知，在這些范德瓦爾斯異質結中存在許多新奇物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都與層間相互作用有著緊密聯(lián)系，由此，調控層間范德瓦爾斯相互作用顯得尤具意義。

科研人員以少層黑磷作為研究體系，系統(tǒng)研究了2-10層黑磷的能帶結構隨面內應力之演化規(guī)律。研究結果表明，所有光學躍遷的峰位隨應力呈線性變化，且峰位移動的速率呈現(xiàn)出明顯的層數(shù)依賴及躍遷量子數(shù)依賴。層數(shù)越少，躍遷量子數(shù)越大，峰位移動的速率越小。這種依賴關系與應力可調的層間范德瓦爾斯相互作用具有密切聯(lián)系。緊束縛模型擬合結果顯示，1%的雙軸面內應變可以帶來10%的層間相互作用改變，表明面內應力可以非常有效地調控層間相互作用。值得一提的是，這一研究還發(fā)現(xiàn)了反直覺的現(xiàn)象，即面內拉伸的應力可以使層間相互作用減弱。

沒有基礎學科“深蹲助跑”，就無法實現(xiàn)原始創(chuàng)新和技術突破的“起飛跳躍”。在未來，應用表面物理國家重點實驗室將立足優(yōu)勢、把握機遇，多出人才、多出成果，努力建設學科領域“高原上的高峰”，為推動上海經(jīng)濟社會發(fā)展和中國夢的實現(xiàn)提供更有力的智力貢獻和人才支撐。