鄭浩：仰望星空 築夢物理

我仰望星空，它是那樣遼闊而深邃；

那無窮的真理，讓我苦苦地求索追隨。

從古至今，天空總是能帶給人無限的嚮往與遐想，而鄭浩對於物理世界的思考也是從仰望星空開始的。中學時期，鄭浩家毗鄰一所學校，他經常會去學校的操場跑步。那時候他讀完了牛頓、愛因斯坦等偉大物理學家的故事之後，深受感染。書中曾言：牛頓經常站在劍橋大學三一學院的草坪上仰望星空。鄭浩也會時常暢想，自己和牛頓一樣，站在高校的操場上，來享受科學帶給自己的無限神奇。

這一夢想，最終得以實現，他先後前往英國伯明翰大學、德國基爾大學、美國普林斯頓大學從事實驗凝聚態物理前沿研究工作，在新奇拓撲物質的物理性質研究、單個原子量子電子學行為研究、極性化合物表面物理和寬禁帶半導光電器件研究等方面取得了一系列突出性科研成果。如今，他科學研究的腳步還未曾有一刻停歇，在上海交通大學這一平台開始了新的物理科學探索之路，力圖在這裡實現新的突破。

孜孜不倦，

對物理研究不變的熱忱

物理學作為一門嚴謹的自然科學，它將理論與實驗結合為一體，雖然物理學不是美學，但物理學中包含著美。從中學開始接觸物理，鄭浩就對這一領域研究展現出了極大的興趣。在他的心中，物理學世界充滿著一種神奇的魅力，投身其中，時常會讓他如痴如醉。高中時期，鄭浩就在洛倫茲力公式的基礎上，推導出了感生電流的計算公式，這對一名高中生而言是極為不易的，由此可見，鄭浩對於物理探索的熱愛之深。

「分數並不是評價一切的標準」，對於物理，鄭浩更崇尚怎樣將物理問題給研究清楚，他能清楚地知道自己學沒學懂，儘管高考時沒有發揮出自己理想的成績，但是鄭浩心中想的是不能將本科作為自己學生生涯的終點，要在物理世界裡繼續前行，這種信念一直在支撐著他，而天生愛鑽研的性格也讓他在此後的科研道路上如魚得水。

2002年，本科畢業後的鄭浩成功考入了中國科學院物理研究所，在這裡進行碩博連讀，並在期間入選了香港大學聯合培養項目。在科研中，他成功使用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）技術生長出高質量薄膜並應用於低維、表面物理研究。

MBE技術是高質量單晶薄膜和低維量子材料製備的首選技術。氮/氧化物外延因氣態源（等離子源）的使用和不同於傳統化合物的生長動力學過程而產生的極高難度，成為MBE生長水平的試金石。同時，石墨烯和MoS?為代表的兩維量子材料由於具有狄拉克費米子，谷電子學和自旋電子學方面的優良特性而備受關注。在這一領域研究中，鄭浩使用射頻等離子輔助的MBE設備生長出原子級平整的GaN、ZnO薄膜以及近年來備受廣泛關注的單原子層量子材料MoSe?；並藉助掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microspore, STM）研究其生長動力學和缺陷形成機理指導生長，從而大大提高了晶體質量。此外，鄭浩還開展了光電器件製備的研究，獨立發展了一種具有自主知識產權的刻蝕方法並成功製備出ZnO/GaN異質結髮光二極體，觀察到了室溫藍光發射。

漂洋過海，

攀登科研更高峰

合抱之木，生於毫末；九層之台，起於壘土；千里之行，始於足下。2007年，為了在物理研究中尋求更大的突破，鄭浩漂洋過海，開始在物理研究中進行更加深入的探索。他先後前往英國伯明翰大學R.E.Palmer組和德國基爾大學Richard Berndt組利用STM從事低維量子物理研究，並取得多項重要進展。

量子電子學是納米技術和低維量子物理的交叉研究領域，並受到世界各主要發達國家的重視。隨著納米技術導致的器件微型化的進展，對量子點/量子線的電子性質研究開始向單原子級尺度縮小。因為n型或p型摻雜決定了半導體的電子學性質，所以對半導體中單個摻雜原子的電荷、軌道、自旋自由度的精密測量和精確操控，成為量子電子學當前研究的前沿課題，其常用的研究手段是單電子晶體管技術。SET是典型的三端器件，藉助柵極電壓可以調節雜質能級相對於半導體母體費米能級的高度，從而實現可調節輸運測量，但是SET測量通常是多個原子的平均效果，準確捕捉單個雜質十分困難。STM結合隧道譜技術具有極高的空間和能量解析度，易於觀察單個原子。然而，STM是典型的兩端器件，一直無法實現可調節輸運測量，該瓶頸多年來一直無法突破。

鄭浩所在的科研團隊經過多年的努力，對單個摻雜原子不同帶電狀態和振動狀態進行深入研究，建立起一套行之有效的數據採集、分析方法，能夠使普通的STM設備不加改造就可以進行可調節輸運測量，從而將SET和STM各自的優點結合起來，使STM真正進入量子電子學研究領域。該研究可以精確測定摻雜原子的電離勢、電子—電子庫倫排斥能等重要特性。

此外，STM不僅是一個高放大倍數的顯微鏡，還可以對固體表面吸附的單個原子的幾何位置以及化學性質進行操控，由此開創了單原子（單分子）化學的全新研究領域；但這項技術一直局限於對錶面原子的操縱，對於體內的原子卻無能為力。針對這一問題，鄭浩發展了一套STM縱向操縱原子技術，實現了STM對固體內部原子的可逆操縱，並同時可逆調節了局域電導。該成果擴展了STM原子操縱能力，並使在固體中構建三維人工原子結構成為可能。這是首次在STM上實現了對固體中單個摻雜原子的可調節輸運測量和精確操控，是低維量子物理測量技術的一項重要進展。這一工作引起國際社會廣泛關注，鄭浩和合作者Weissmann博士受到德國媒體的採訪，報道以德文和英文兩種語言刊登並被多家媒體轉載。

在此基礎之上，鄭浩及其科研團隊並未停滯前行的腳步，針對極性化合物表面物理和體內極化子的STM研究準確理解極性表面的結構這一表面物理中一個經久不衰而又極具挑戰性的課題，他們又開始了深入挖掘，並對半導體物理、光子晶體、催化化學等研究提供了關鍵信息。

ZnO材料由於在藍光激光器方面的應用前景受到全球範圍的重視。同時，該材料又是典型的極性晶體，具有良好的壓電特性，尤其在納米壓電感測器方面具有突出表現。ZnO面垂直於極化軸，因而是典型的極性表面，其清潔本徵表面難於獲得，到目前為止只有一種表面結構得到較深入的理解。鄭浩團隊通過一系列實驗，證實了三角形重構並不是其表面的熱平衡結構。STM觀察到表面小面化過程，理論計算表明這是由電子計數法則和極性淬滅共同導致，是真正的熱平衡基態。鄭浩團隊還利用隧道譜技術觀察到ZnO體內的摻雜原子誘發的電聲子耦合現象，並測定其極化子的Froehlich耦合係數。該工作改變了ZnO表面研究中的一個長久認識，拓寬了對極性化合物的中雜質與電聲子耦合關聯的理解，並得到學術界的廣泛認可。鄭浩還受邀就相關領域研究在中國物理學年會和中國真空學大會上作報告。

不懈追索，

形成濃厚的科研積澱

2014年1月，鄭浩結束了在德國基爾大學的博士後研究工作，開始了全新的科研之旅。彼時，他在國外從事博士後研究工作的總時長已超過6年，取得了諸多突破性科研成果，也有很多國內高校聯繫他回國從事科研工作。但是，鄭浩認為自己當時的科研積澱還不夠深厚，還需要進一步學習，才能夠更好地開展獨立研究，更好地指導學生。本著對科學研究深入學習的熱情以及對他人負責的態度，鄭浩來到了美國普林斯頓大學物理系M.Zahid Hasan研究組繼續從事博士後研究工作，在拓撲物質實驗研究方面開展了一系列研究工作。

初到M.Zahid Hasan研究組面試時，鄭浩就與M.Zahid Hasan先生在科研理念上達成了很好的默契，M.Zahid Hasan先生雖然一直在從事拓撲物質的實驗研究工作，但他十分注重理論基礎。在日常的研究工作中，他經常會花費一定的時間在辦公室里閱讀書籍，學習一些物理本質的東西，這點讓鄭浩的印象非常深刻。在這裡，鄭浩開展起拓撲物質的研究工作，並開始了他在凝聚態物理領域的全新開拓。

拓撲學引入凝聚態物理成功闡釋量子霍爾效應，並進一步催生了拓撲絕緣體這一近年來的爆炸性研究熱點，也使得該領域的開創人員成為諾貝爾獎的有力爭奪者。繼拓撲絕緣體之後，拓撲物質的新熱點轉向金屬態材料。普林斯頓大學Hasan組一直工作在該領域，並以角分辨光電子譜研究見長。鄭浩加入後，很快幫助該組開展了STM方向的研究。幾個月後，鄭浩參與了第一個拓撲威爾半金屬材料TaAs的實驗發現，之後又成功得到威爾半金屬NbAs和第一個拓撲鞍線半金屬PbTaSe?表面的原子級STM圖像。

拓撲半金屬的標誌性特徵是其表面電子態在動量空間中形成費米弧的形狀，而傅里葉變化隧道譜圖技術使得STM可以在動量空間中探測到電子散射行為，因而令STM成為拓撲物理研究的利器。鄭浩所在的科研團隊在實空間觀察到拓撲威爾半金屬材料NbP表面的准粒子量子干涉現象，並運用上述技術在動量空間清晰地分辨出電子散射主要來自於具有pz軌道特性的4個空穴口袋之間；而px，py軌道導致的另外費米口袋之間的散射，以及它們向著pz口袋的散射因為躍遷矩陣效應而受到抑制；由此確立了軌道相關表面准粒子干涉這一全新量子現象的實驗發現。

初心不移，

回國致力科學研究

時光匆匆即逝，轉眼間，鄭浩已在國外從事了將近10年的科研工作。10年對一位科研人員來說，很長很長，但是鄭浩卻從未感覺到時間流逝的如此之快。他說，因為一直在自己熱愛的領域從事科研工作，享受多過於辛勞，內心充滿的是幸福的體驗。

2016年，鄭浩正式加盟上海交通大學物理與天文學院，希望在拓撲物質這一前沿領域進行深入研究。「現在國內對於科研人員的支持力度非常大，對於青年人開展研究工作十分有利」，鄭浩說。有了良好的科研平台與科研支撐，鄭浩十分想要在之前的研究基礎上，取得更大的突破。

外爾半金屬是繼石墨烯和拓撲絕緣體之後又一個全球性研究熱點，其體內能帶的低能准粒子激發用外爾方程描述，攜帶非零的貝利相位，是一類全新的拓撲物質。直到2015年，第一個外爾半金屬材料才在實驗上被發現。這個嶄新的領域中，許多重要的科學問題有待研究。基於之前在國外所積累的研究經驗，鄭浩試圖利用掃描隧道顯微鏡來研究這一材料的性質。

2016年，鄭浩成功申請了國家自然科學基金面上項目「外爾半金屬的拓撲表面電子態研究」。外爾半金屬的拓撲屬性直接表現為費米弧形拓撲表面態的存在，因此表面敏感的實驗手段大有用武之地。在這一項目中，鄭浩團隊將使用低溫掃描隧道顯微鏡/隧道譜技術同時在實空間和倒空間研究外爾半金屬的物理性質，以期在磷化鈮樣品中證實理論預言的新奇表面狄拉克粒子；計劃研究二碲化鉬表面，直接觀察到拓撲費米弧表面電子態的量子干涉現象，並進一步對確定該材料電子在動量空間的散射通道；結合外磁場調製的方法，尋找時間反演對稱破缺的新型外爾半金屬材料；使用分子束外延技術，通過生長量子阱等低維結構，實現對外爾半金屬的拓撲性質的調控。

「我認為在拓撲物質這個領域，我們國家不再落後」，鄭浩說。特別是現在的國際交流越來越緊密，科學研究的步伐也越來越緊跟國際潮流，在這一發展趨勢下，鄭浩在這一領域深入進行科學研究的動力與信心更足了。

科研之外，教學工作也是當今科研人才培養的關鍵一環。現如今，鄭浩也在幫助賈金鋒老師團隊帶領學生開展科研工作。在這一方面，鄭浩極具責任感，他表示：作為一名老師，一定要起到表率作用，如果要求學生干到晚上10點，我自己就要干到11點才行。他認為「嚴師出高徒」是有一定道理的，只要擔負起學生培養的職責，就一定要對學生盡到100%的責任。

對於學生未來的發展，鄭浩更注重的是他們做自己想做的事情，實現自己的人生價值。他說，學生未來不一定要從事物理學研究，只要他們在學習的過程中明白自己最想要的是什麼，能實現自己的夢想就好了，而這也正是他一路走來的心得體會。

生活中，鄭浩無拘無束，喜歡旅行和音樂，相較於他人的看法，他更在乎的是自己收穫了什麼，也許正是由於他的這種性格，才能更好地投入於科研當中，享受到其中的樂趣。未來，他仍會保持自己最初的信仰，不斷前行，在物理世界裡繼續開拓！

來源：科學中國人（2018年3月上）

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