项晓东课题组在量子弛豫时间研究取得新进展

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近日，南方科技大学材料科学与工程系（简称“材料系”）讲席教授项晓东课题组与上海交通大学、中国科学技术大学等单位合作，在量子弛豫时间的研究方向取得新进展，相关成果以“A Direct Measurement Method of Quantum Relaxation Time”为题发表在我国顶级英文科学期刊《国家科学评论》 （National Science Review）。

        导电电子的量子弛豫时间（τ）是决定金属导电率和半导体迁移率，超导体的赝能隙和临界温度以及自旋量子计算关键材料的基本参数。准确表征电子的量子弛豫时间及各种不同相互作用对其影响的机理，对于更好地理解凝聚态物理前沿问题，如强关联相互作用、弱局域化效应，拓扑材料和自旋量子材料，以及设计和制备下一代电子学器件，都具有重要意义。
         然而，量子弛豫时间τ的直接测量一直无法实现。传统上只能利用电接触法来首先确定载流子迁移率（μ），再利用极低温磁振荡实验获得有效质量（m*），进而通过公式τ=μm* / e间接确定静态场下的τ。到目前为止，直接测量量子弛豫时间τ，一直是物理学家追求的目标。
100多年前，由Paul Drude提出的自由电子与光场耦合振荡模型（Drude model），为光学直接测量导电电子的量子弛豫时间提供了理论基础。然而长期以来，该模型与实验数据存在量级偏差，因而一直无法直接用来确定材料的量子弛豫时间。传统凝聚态物理一般认为量子弛豫时间由电子-电子、电子-声子、电子-杂质三种散射机制共同决定。项晓东团队通过原始创新的理论模型和方法，发现了一种全新的电子散射机制-束缚电子的非弹性散射，从而解决了Drude模型无法确定量子弛豫时间的百年难题，成功地从等离子体共振峰宽度中提取出传导电子的量子弛豫时间等输运参数。
        20世纪90年代，项晓东发明的材料芯片技术（X.-D. Xiang, et al., Science, 268,1738:1995），开启了以高通量制备、表征和计算为基础的材料基因工程的序幕。目前，虽然高通量制备技术已日臻成熟，然而无损、原位、微区的高通量电-热-磁-力多参量光学表征技术的缺失成为材料大数据匮乏的源头。该研究不仅突破了基于远场光学的高通量电学表征瓶颈，也为材料的热、电、磁、力多参数快速表征奠定了基础，将进一步推动材料科学迈入以大数据为基础的科学第四范式。
        南方科技大学为论文第一通讯单位。南方科技大学材料系研究助理教授张鹏、研究助理教授唐浩奇、南科大与中科大联合培养博士后顾川川为论文的并列第一作者，项晓东和上海交通大学讲席教授汪洪为共同通讯作者。论文作者还包括南方科技大学材料系助理教授罗光富、中国科学技术大学陆亚林教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、南方科技大学高水平专项等项目的支持，计算资源得到了南方科技大学计算科学与工程中心的支持。


        论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa242

供稿单位：材料科学与工程系

通讯员：周斌

编辑：程雯璟

主图设计：丘妍

        文章来源：南方科技大学

        项晓东,南方科技大学教授，国际组合材料科学共同发明人，1994 开创组合材料研究新领域，1996 年与“JAVA”计算机语言分别获美国《Discover》杂志“的计算机硬件及软件“技术创新奖”。以第一作者或通讯作者在 Science 与 Nature 杂志发表 9 篇文章。曾在美国伯克利国家实验室及 SRI International 等机构主持合计超过 1.5 亿元的美国能源部、国防部及国家健康局 (NIH) 研究及技术创新研发项目。拥有超过 120 项有关组合材料芯片制备合成及表征方法、功能材料在半导体器件、医疗应用以及太阳能技术等方面的美国、国际专利及 50 项中国专利。在美国硅谷创办 Symyx、Intematix、Xradia 等多家成功高科技企业。1999 年担任以“发现和优化新材料的集成组合方法”为主题的第 118 次香山科学会议执行主席之一并作高通量组合材料实验研究的专题报告。2011 年在中国工程院主办的以“材料科学系统工程”为主题的材料基因组咨询会议上作了高通量组合材料芯片技术的专题报告。参与中国工程院《中国版材料基因组计划》和中国科学院《中国版材料基因组与高端制造业计划》重大咨询报告撰写工作。2014 年其团队所开发的新一代组合材料芯片技术使材料的合成和筛选由“一锅一炒”变为“万锅同炒”，效率迅速提升 1000 到 100000 倍，从而把研发新材料的时间最短压缩至一周。2015 年 8 月担任宁波国际材料基因工程研究院荣誉院长。

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