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上海科技大学教授刘健鹏：
载体构建
■文/徐飞
通常而言，我们生活的宏观世界近似地由经典物理规律
支配。但当深入到微观粒子时，经典力学将让位于量子力 学一一自由电子的行为不再简单地由牛顿力学三定律描述，
取而代之的是薛定谭方程。而当电子束缚于周期性势场一一
晶体中时，错综复杂的多体相互作用使其具有与自由电子不 同的电子结构，使得洛伦兹不变性破缺、“磁单极子”、非
阿贝尔任意子等新奇的物理效应在凝聚态材料中成为可能。
我们把具有宏观量子效应的材料统称为量子材料，如磁性材
benchmark
料、超流、超导体以及近年来被广泛关注的拓扑物质（包括 拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体）等。
过去的几年时间里，上海科技大学物质科学与技术学院
教授刘健鹏研究了多种量子材料体系的新奇物理性质，包括
拓扑材料、磁性材料、转角二维材料以及摩尔异质结体系等
新奇量子材料体系。刘健鹏擅长结合理论模型和第一性原理 计算来研究各种量子材料的电子结构以及多种新奇物性。他 在拓扑绝缘体、拓扑半金属、磁性拓扑相、过渡金属和稀土
金属强关联体系的电子结构计算和物性计算等方面均做出了
国际瞩目的科研成果。近两年，刘健鹏对一类新兴的二维材
料体系一一转角石墨烯体系中的电子结构、拓扑性质、库伦 关联效应等物理性质进行了深入研究，做出了…系列国际领 先的理论工作，走在了国际前沿。
从“0”到“1”的研究
“理论是一切实践的基础。”这是刘健鹏的导师曾经对
他说的话，也是令他记忆最深刻的一句话。"有些科研工作
者认为只有将实验发明落地产业化，才是真正的科研，从而
只注重产业化而忽略了最根本的理论研究。久而久之，又怎
22 ♦中国高新科技2020年第23
期
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么会有新一轮的创新。毕竟一切创新的根源都是从理论开始的。”刘健鹏说道。刘健鹏一直坚定发展理论的科研方向，潜心科研，不畏艰难困苦，勇攀高峰。
在转角双层石墨烯中，由于两层石墨烯之间的相对旋转，在特定角度下会形成具有长周期的摩尔条纹。之前的理论曾经预测，在转角为“魔角”，即1.05°时，该体系的低能能带会变得很平，即意味着该体系的动能会被很大程度地抑制，从而电子的库伦相互作用会对电子性质产生决定性作用。在2018年
3月，来自MIT的实验学家在平带半填充的魔角双层石墨烯中分别观测到了关联绝缘体相和超导相，这让转角双层石墨烯体系成为当前凝聚态物理中非常火热的一个领域。接着斯坦福大学和加州大学的实验学家通过实验在3/4填充的魔角双层石墨烯中观测到了量子反常霍尔效应，这意味着转角双层石墨烯的低能能带具有非平庸的拓扑性质，并在凝聚态物理历史上首次实现了轨道铁磁态。这一系列令人振奋的实验工作让转角石墨烯体系成为一个炙手可热的新兴研究领域。
面对新鲜的科研课题，刘健鹏总能保持清
醒的头脑，理清思路进行理论研究，去解决一
个又一个理论问题。这一次也不例外，通过数
据分析与实验研究，刘健鹏在理论上证明，由
于层间旋转和层间耦合，在转角双层石墨烯中
存在两类狄拉克费米子分别跟方向相反的贋磁
场耦合，产生两套陈数相反的贋朗道能级。而
在魔角附近的低能平带其实就是第零个贋朗道
能级。用这样的贋朗道能级表示，他成功地解
释了转角双层石墨烯的低能能带的拓扑性以及
魔角存在的原因。这样的贋朗道能级表示将该
体系的库伦关联问题等效成了简并的膜朗道能级自发对称性破缺的问题，对解释转角双层石墨烯中拓扑非平庸平能带的产生给出了最直观、最深刻的解释，也对理解实验中观测到的关联绝缘态和量子反常霍尔效应具有重要的指导意义。刘健鹏的贋朗道能级理论己经被输运实验及扫描隧道谱实验直接证实。
同时，他还进一步提出拓扑平带在转角多层石墨烯体系中广泛存在，且数学上推导出一个简洁而普适的规律描述任意层转角多层石墨烯体系平带的拓扑量子数。这个工作让转角多层石墨烯成为一个研究拓扑物理和强关联物理的绝佳平台，为进一步实验和理论工作提供了重要指导。他还与合作者开发了一个普适广义的数值计算方法来处理转角石墨烯体系中的电子之间量子多体库伦作用的问题。利用这一方法，刘健鹏首次建立了在不同填充下转角双层石墨烯的统一相图，成功解释了实验观测到的绝大多数的关联绝缘态以及量子反常霍尔效应。他预测转角双层石墨烯中的关联绝缘态是一种在传统凝聚态体系中从未出现的摩尔轨道反铁磁态，在实空间中有三对手性相反的电流回路。他进一步预测了转角双层石墨烯中的量子反常霍尔效应具有新奇的磁场响应。
保持初心潜心科研
科研人员要有敏锐的嗅觉，就像豹子猎食一样，能够在所触及的范围内尽可能地捕捉科研信息。同时，要有一双发现问题的眼睛，这样才能了解最新的科研动态，在研究热点问题中取得成功。热点问题是人们所关注的，也是大多数人愿意尝试的部分，这样更有利于科研人员相互交流，分享与借鉴，是能更快解决问题的一个途径。比如，最近几年拓扑半金属以及量子反常霍尔效应可以说是引领了凝聚态物理的研究热潮。这其中，量子反常霍尔绝缘体的能带具有非平庸的拓扑量子数，即陈数。这让该体系可以在无须外磁场的情况下就具有量子化的霍尔电导。在2011年固体能带中拓扑
2020年第23期•中国高新科技
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的概念进一步从绝缘体被延伸到金属以及半金属体系后，很 多理论学家和实验学家预言和观测到了狄拉克半金属、外尔
半金属以及节点线半金属(nodal line semimetal)等多种拓 扑半金属的存在。这些拓扑半金属通常也具有新奇的拓扑表 面态，同时具有非常规的输运性质，因此对拓扑半金属体系
物理性质的研究成为近年的热点问题。
2014年，刘健鹏在博士期间曾系统地研究了一个体系从
nebosh培训平庸绝缘体到拓扑绝缘体的相变过程中临界外尔半金属相的
存在条件，澄清了之前的一些错误的概念和理论。以此作为
理论指导，他进一步基于第一性原理计算预测了几个破坏空
间反演对称性的外尔半金属材料。这些破坏空间反演对称性
的外尔半金属材料是该领域最早的几个理论预测之一，为后 面拓扑半金属的实验实现奠定了理论基础。
在2017年，刘健鹏还深入地研究了磁性拓扑半金属的
磁性、拓扑缺陷、电子结构及输运理论。比如，磁性外尔半
金属Mn3Sn 及Mn3Ge 中的磁性、电子结构、电输运性质、 以及磁畴壁动力学。他曾为Mn3Sn 及Mn3Ge 体系提出了简
单而普适的自旋模型以及电子紧束缚近似模型，并基于此模
型预测在Mn3Sn/Ge 这一磁性拓扑半金属中会存在束缚在磁
畴壁上的费米弧态，进而导致新奇的面内反常霍尔效应。
有了研究经验与成功成果的支撑，刘健鹏再接再厉，对 于节点线金属表面态的库伦关联效应和库伦交换作用导致的
量子反常霍尔效应进行深入研究。刘健鹏介绍道：“节点线 金属一个很重要的特征就是在表面会存在所谓的鼓面表面 态。这种表面态通常散较弱，能带较平，因此库伦相互作
用对这种拓扑表面态会有很大的影响。在博士后期间，我曾 基于平均场理论系统地研究了这种鼓面表面态由电子库伦作
岛屿最多的国家用导致的不稳定性，指出其自旋以及电荷密度上的自发对称
性破缺行为。这种对称性破缺导致的序参量会只存在于表面，
并具有新奇的量子临界行
为。而量子反常霍尔效应
周昌贡是一种无须外加磁场的量
子霍尔效应，通常由磁性 和自旋轨道耦合的共同作
用所导致。具有量子反常 霍尔效应的体系称为量子
反常霍尔绝缘体。刘健鹏 教授首次基于第一性原理
计算在 CrSiTe3 及 CrGeTe3
薄膜里提岀可能存在由库
伦交换相互作用导致的、 不需要任何自旋轨道耦合
的量子反常霍尔效应。这
一工作为寻大能隙的量 子反常霍尔绝缘体提供了
全新的思路和方向。这两
次研究给刘健鹏留下了非常深刻的印象，虽然之前积累了丰
富的经验，但是身经百战也要千里之行始于足下，刘健鹏在 实验中遇到过很多瓶颈，当想要放弃时，他总是会想起当初
自己是出于何种好奇开始研究的，正是这种对科研的好奇心
让他一直坚持科研到现在。
接下来刘健鹏将依托上海科技大学的科研平台，开启科 研追梦之旅。追梦的同时也将己身收获传授给芋苹学子。刘
健鹏目前在为上海科技大学物质学院的研究生讲授《高等电
动力学》的课程。因上科大物质学院研究生包括物理、化学、
材料3个方向的学生，他所讲授的课程要兼顾不同研究方向
的学生的背景和未来科研工作需求。他采用国际上最经典的
教材《Classical Electryodnamics 》为研究生讲解电动力学课 程。除了教学大纲里基本的教学内容，他同时还结合物质学
院研究生的背景额外讲授一些数值求解电磁学偏微分方程的
方法，以及不同材料对电场、磁场的响应理论，并鼓励学生
自己写代码求解电磁学问题，取得了良好的教学效果。
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