姚裕贵给中学生讲课
“最美科技工作者”颁奖词
他在高深的理论科研中默默耕耘二十余载
也在教书育人的校园里固守多年
他在理论和估算化学的赛道上默默前进
为科技的未来降低了新的可能性
也将同样的理念贯彻在教育事业中
培养出诸多涉足于科学事业的年青人
科学研究用勤劳浇灌
教书育人种出小树参天
橘黄色彩的微观世界里，一个个蜂窝状结构规律排列，凝聚成一张起伏的“网”，充溢着迷人的光。
去年5月，数学学顶尖刊物《物理评论快报》的封面，刊载了一幅显微成像下的图片。它阐明了一种新的量子效应——北京理工学院化学大学校长姚裕贵团队与美国合作者通过实验观测到锗烯中的量子载流子霍尔态及拓扑相变。
“我们发觉了新的量子材料，具有更优良的性能。未来，它可能会代替许多当前的电子系统，应用于高能效电子产品的研发，例如现今很热门的量子计算机。”外行看来晦涩难懂的概念，在姚裕贵的解释下变得浅显了好多。
为了“捕捉”到量子世界的这点点微光，他和同伴早已探求了12年。再向前溯源，姚裕贵虽然早已在数学学的高深理论开沟耘了20余载，他关于汇聚态化学、计算化学和材料化学的研究多次登上国际权威刊物，在反常霍尔效应、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等方向上，取得了一系列突破性成果，他也因此在2018年至2022年连续荣获全球“高被引科学家”名单。
前不久，姚裕贵在省委宣传部、市妇联等部门联合举办的选聘活动中，斩获2023年上海“最美科技工作者”称号。作为这次得奖者中惟一一位理论和估算化学学家，他说：“只有化学学能够满足我们源源不断的好奇心。”
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破解“百年命题”
“这份好奇心的起点是哪些？”
专访姚裕贵约在他的办公室——一张办公桌、几把凳子，环境简单而纯朴。面对记者的提问，在堆成“小山”的书籍和资料中，他正了正身子，认真思索了一会儿，答道：“我从小在农村长大，和数学学联系最密切的，大约就是晚上漫天的星星。从宏观的天体，到微观的量子，数学学的奥秘吸引着我。”
高中时代，姚裕贵的数学成绩就十分突出，中考时，他顺利考上南开学院化学系。“大学四年，我几乎每天都是课室、图书馆、宿舍‘三点一线’，看书就是我的娱乐活动。”回忆起学院岁月，姚裕贵的脸攀升起微笑。“那时侯，图书馆里和数学相关的书，我基本上都看了一遍。”他紧接着补充，“当然，有的看得懂，有的看不懂。这完全不会影响我心无旁骛地学习，只认为很充实。”
因为成绩优异，姚裕贵在大三下学期就获得了保研资格。学院最后一年，“没事可干”的他就跟随高年级的研究生一起上课，自学《高等量子力学》等理论化学的知识。到1992年专科结业，他基本学完了研究生一年级的课程，还凭借兴趣自学了计算机专业课。
大学期间广泛涉猎的数学学知识，为姚裕贵打开了愈加宽广的学术研究空间。以后，他又相继获得了中国科大学成都光学精密机械研究所的光学硕士学位、中科院热学研究所的热学博士学位。1999年，姚裕贵步入中科院化学研究所博士后流动站工作。
丰富的科研成长经历背后，离不开引路人的启发。“每一位导师都有自己的个人魅力，她们的一言一行，深深影响着我。”说起导师的故事，姚裕贵打开了话匣子——
“我的光学老师是林尊琪教授，他为我国的激光聚变事业奉献了一生，从不计较个人得失，遇见项目申报，他总把自己的名子抹除或往前挪，反复指出‘研究成果是集体智慧的结晶，要借助团队’。”
“我的热学老师是王自强教授，那位热学‘大咖’的物理非常好，推论能力比我们用计算机推论还要强。从他脸上，我感遭到了科学家严谨的学术心态。”
“进入中科院化学所，我的导师是王恩哥教授，最为人称道的就是他的‘711’号办公室。正如门牌上的数字一样，他每晚早晨7点钟到办公室，下午11点才离开。”
……
一位位引路人，陪伴姚裕贵从数学学学士、光学硕士、力学博士，一路成长为中科院化学所的研究员。不断“跨界”的经历，除了宽阔了他的学术视野，也让他渐渐锁定了研究方向——计算化学和汇聚态化学。
2001年末，姚裕贵抵达澳洲泰安学院奥斯汀校区访学，深入研究反常霍尔效应。
反常霍尔效应，短短六个字，相当绕口。要理解这一概念，先得讲讲“霍尔效应家族”。1879年，法国化学学家霍尔发觉了霍尔效应，它定义了磁场和感应电流之间的关系，当电压通过一个坐落磁场中的导体的时侯，磁场会对导体中的电子形成一个垂直于电子运动方向上的斥力，因而在垂直于电压与磁感线的方向上形成电势差。现在电子设备的好多传感都与此有关。
五年后，霍尔的新发觉被叫做反常霍尔效应，即在有磁性的导体上，不外加磁场，也可观测到霍尔效应。
自1881年反常霍尔效应提出以来，一直无法完善起完整的理论体系。在一场学术报告上，姚裕贵关注到这一数学学的“百年命题”。“这是一种基本的数学现象，并且这个效应背后的数学机理，还没有人晓得。”他进一步解释，人们对反常霍尔效应的理论机制和化学起源仍然争辩不休，主要缘由在于难以完善起完整的理论体系和技巧对实验结果作出定量解释，甚至不能定性理解反常霍尔效应导致的相关数学现象，这就须要发展一套严格精确的估算方式，来证明现象背后的机理。
验证的过程花了整整三年时间。“我很幸好，那种年代没有如今那么‘卷’。”姚裕贵调侃地说，在美国访学那段时间，他认识了好多优秀的学者，“大家由于对化学的热爱聚在一起，下摆的学术环境，给了我和研究伙伴不断试错、改进的机会，让我们沉下心来专注于探究某一个问题。”说到这里量子物理的应用论文，他停顿了一下，简单提了一句：“从读书起，我就仍然保持着一周工作6天的习惯，白天忙到十一二点很正常。”轻描淡写的话语，并没有透漏藏在一次次代码调试、一张张推论演算纸里的“苦”，反倒透着一股一丝不苟、追求极至的劲头。
总算，2004年，姚裕贵和研究伙伴在国际上率先发展了估算反常霍尔浊度率的第一性原理方式，创造性地将布里相效应融入到第一性原理估算中，定量地研究了典型铁磁材料反常霍尔效应中基于布里曲率的内禀机制。这一重要学术成果为他在理论和估算化学领域的深入研究奠定了坚实基础。其中，关于反常输运的部分成果被写进了美国主流教科书，他也因此成为该领域开拓者之一。
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从指责到首创
量子霍尔效应，被称为电子运动的“交通规则”。通常情况下，材料中电子的运动没有特定轨道，高度无序，电子和电子、电子和杂质就会产生碰撞，从而带来发热、能耗等困局。
而在量子反常霍尔效应中，无需外加磁场，电子的运动却高度有序，如同高速道路上的车辆，各行其道，且不回头。打个比方，这些效应如同“电子高速道路”。量子载流子霍尔效应也类似，是指找到了电子载流子方向与电压方向之间的规律，借助这个规律可以使电子以新的坐姿十分有序地“舞蹈”，因而使能量耗散很低。这意味着，这一效应在制备低煤耗的高速电子元件领域大有可为。
在特定的量子阱中，特定材料制成的绝缘体的边沿会形成这些特殊的效应。但是，它真的存在吗？近来十几年来，“捕捉”具有量子载流子霍尔效应的材料，成为汇聚态化学学家竞相追逐的焦点。
姚裕贵也关注到了这一点。2006年，他受邀到日本数学学会四月夏季大会作一场学术报告，在蒙特利尔机场，他遇见了法国哈佛学院亚裔科学家张首晟。同在汇聚态化学领域精耕的三人，在异国的机场展开了一场学术交流。
当初，世界知名化学学家凯恩和米勒提出“单层石墨烯样品中存在量子载流子霍尔效应”。张首晟敏锐地察觉到，这是一个十分有前景的预言，他毫无保留地将自己的看法分享给了姚裕贵。“我很谢谢张院长，他的观点启发了我。”姚裕贵说，经过一番讨论，二人觉得，石墨烯样品中存在的量子载流子霍尔效应可能微乎其微。
带着同伴的“启发”，归国后，姚裕贵立刻展开了相关研究。他率先通过深入的理论剖析和精确的估算方式研究了石墨烯中的载流子轨道耦合互相作用，发觉纯石墨烯中载流子轨道耦合能隙大小约为1微电子伏特，大小可忽视不计，由此可以推断在石墨烯中很难观测到量子化的载流子霍尔效应。2007年，相关研究成果发表，他大胆指责学术权威，提出了“量子载流子霍尔效应在纯石墨烯中不可能实现”的观点，纠正了此前“纯石墨烯中载流子轨道耦合诱导的能隙约为毫电子伏量级”的普遍想法，获得了国际上的广泛认可。
与此同时，姚裕贵开始率领团队和合作者尝试通过实验实现量子载流子霍尔效应。要实现这一目标，实验条件十分严苛。特定的量子阱结构复杂、制备困难且仅能在极低气温条件下工作，极大地限制其元件应用。为此，在更高湿度下实现量子载流子霍尔效应，同时应用该效应设计低帧率的拓扑量子元件，找寻合适的简单二维体系迫在眉睫。姚裕贵团队另辟蹊径，率先提出了在简单二维材料中实现量子载流子霍尔效应的方案。
仍然到2011年，姚裕贵和团队才找到合适的二维材料。他将此次发觉称作“灵光一现”——既然石墨烯中很难观测到量子载流子霍尔效应，和它同一“家族”的晶体样本是不是可以实现？带着这样的构想，姚裕贵等人通过一系列材料设计的方案，在国际上首次强调：类石墨烯体系-硅烯、锗烯等是二维拓扑绝缘体，并预言在该类二维材料中可在更高湿度下观测到量子载流子霍尔效应。这篇论文发表在《物理评论快报》上量子物理的应用论文，单篇引用超过1900次，成为《物理评论快报》创刊60多年来，第一单位来自中国、引用次数排行第二的论文。文中所提出的理论模型成为该领域好多理论研究工作的基本出发点。
这一研究开启了在二维材料中设计及搜救大能隙量子载流子霍尔绝缘体的先河。姚裕贵介绍，硅烯、锗烯、锡烯具有与石墨烯类似的蜂窝状结构，但存在起伏。与石墨烯相比，硅烯、锗烯、锡烯具有更强的载流子轨道耦合、能隙易调节、谷自由度易极化、与当代成熟的硅基半导体工艺兼容等优势，预计在未来的载流子电子学和纳米电子学元件等领域具有宽广的应用前景。
随后12年间，姚裕贵与研究同伴仍然在尝试“捕捉”硅烯等材料中的量子载流子霍尔态。
2022年，姚裕贵团队和耶鲁学院合作，在一种由铋和溴元素制成的拓扑绝缘体表面观察到温度下的量子载流子霍尔边沿态，而一般量子行为只有在高压、强磁场或则接近于绝对零度的极端实验条件下才会看见。这一发觉为进一步实现温度下的量子载流子霍尔效应带来了希望，也为开发高效量子技术创造了新的可能性。
凭着在汇聚态化学研究上的一系列成果，姚裕贵曾入选国家自然科学奖、教育部自然科学奖、北京市自然科学奖、中国科大学杰出科技成就奖等奖项。他还坚持做有用的化学，为国家解决急需问题，近些年来发展了基于微小用量含能材料能量释放性能及感度快速检查技术，弥补了相关领域技术空白。
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“两个馅饼”的故事
倾心学术的姚裕贵，更看重的身分是老师。在他的课题组中，“两个馅饼”的故事广为留传：为了节约时间，他的午餐常在办公室解决，请中学生为他带两个馅饼成为他经常的选择。“姚老师一定会在确认不绕道的情况下把饭卡给我们。有时你们也会取笑，明天姚老师的馅饼是几点钟吃完的。”北理工2016级博士生张闰午追忆，工作忙时，老师的喝水时间根本难以保证，有时离开实验室时才发觉馅饼一口未动。
对于这个“传奇”故事，姚裕贵听得认真，却不完全认可：“这只是中学生们对我勤劳工作的印象。我可不是天天这样，常年下去太不健康了。”他话锋一转，又补充道：“作为导师，我确实要比她们更刻苦，不然中学生也不服气呀。”
确实，从教以来，他一直以身作则，生活作息规律而简单。去除出差，他没有过一个完整的周末和假期，每周工作6天，“早8晚11”的工作模式是他的日常。
不仅学术研究，作为化学大学教授的姚裕贵还担负着率领大学发展建设的重担，同时承当着一线教学任务。怎样在科研、管理、教学以及家庭生活中把握好平衡？对此，他这样回答：“除了勤劳，就是高效，三者缺一不可。”
他也将这些理念贯彻到中学生培养中。“如果我们没有好好打算小组会或在汇报时说得没条理，好性子的姚老师也会非常吵架，由于他认为这是在浪费你们的时间。”一名博士生说。
“姚老师柔软广阔的知识学养和丰富的研究经验是我们的宝藏，你们不管有哪些问题找他讨教，就会获益颇丰。”学生刘铖铖现在已成长为北理工数学大学的院长，他一直记得姚裕贵在课题组会议上常讲的内容：“做科研，首先要有德，其次才是能。”
去年，姚裕贵团队的研究成果再度登上《物理评论快报》，12年前团队关于锗烯中拓扑物性的理论预测获得否认。这一次，她们和合作者除了实现了“捕捉”量子，还尝试通过“操控”，形成新奇的量子化学现象。姚裕贵解释，通过控制扫描隧洞显微镜的针尖到样品隧洞结中的外置电场，来改变锗烯的拓扑状态：在临界电场时，锗烯的拓扑能隙会闭合，体系转变为拓扑半金属；而当电场超过临界值时，锗烯会打开拓扑乏味的带隙，并伴随着拓扑边沿态的消失。“这种由电场造成的拓扑状态切换和相当大的体能隙，使锗烯成为温度拓扑晶体管的候选材料。”
在姚裕贵的率领下，北理工数学大学在多项工作中取得突破性进展，他所培养的中学生大多步入院校或研究所工作，献身前沿科研和人才培养事业。姚裕贵如数家珍般道出大学获得的荣誉：“2022年，我们中学的数学学科获准国家‘双一流’建设学科，全省仅10所，我们是军工高校中惟一获准的院校，也是住建部七校惟一的双一流基础学科。”
现在，在理论和估算化学的赛道上，姚裕贵和他的团队，一步一个脚印，往前奔跑着。
还有多久就能抵达终点？姚裕贵给出的答案朴实却有份量：“科研是一个常年过程，没有绝对的终点。我希望才能发觉更多新奇的化学现象，做更有用的化学，为未来颠覆性的量子技术提供物质基础，帮助国家解决实际问题。”
姚裕贵院长正在指导中学生做研究