姚裕贵教授——北京理工大学、长江学者特聘教授

姚波

姚裕贵教授——北京理工大学、长江学者特聘教授

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• 2015-2-22
• 来源：中国高校之窗
  

中国高校之窗

姚裕贵教授

姚裕贵，男，1971年3月出生，博士，教授，博士生导师。
所在学科物理学，研究方向为计算物理和凝聚态理论，特别关注真实材料的贝里相位效应，发展了计算反常输运物理量和任意体系拓扑不变量Ｚ2的第一性原理方法。承担国家杰出青年科学基金、国家基金面上项目、科技部“973计划”/量子调控多项。研究成果在SCI收录的杂志上发表63篇研究论文，其中包括16篇Phys. Rev. Lett.，1篇Nature Materials，1篇Nano Lett.，所有文章共被引用约1650次，3篇论文单篇引用超过150次，H-index = 23。在反常输运、拓扑绝缘体、石墨烯、硅烯等领域的研究成果获得了国内外同行的广泛认可，并曾在美国APS年会等国际会议多次作邀请报告。
2011年获得“中国科学院杰出科技成就奖”（拓扑绝缘体研究集体奖项-主要完成者之一），担任中国计算物理学会理事、中国物理学会凝聚态计算专业委员会委员，Int. J. Mod. Phys. B，Mod. Phys. Lett. B国际SCI期刊编委，Phys. Rev. Lett.、Nature子刊、Adv. Mater.等国际顶级期刊审稿人。
2012年获得国家杰出青年科学基金资助，受聘2012年度“长江学者奖励计划”特聘教授。

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正高 姓名：姚裕贵
所在学科：物理学院
职称：正高
联系电话：86-10-68918672
E-mail：ygyao@bit.edu.cn
通信地址：
个人简历992年在南开大学物理系获得物理学学士学位，其后分别获得中科院上海光学精密机械研究所的光学硕士学位(1995)和中科院力学研究所的力学博士学位（1999）。1999-2001年进入中科院物理研究所博士后流动站，出站后留所工作。2001-2003年到美国Texas大学Austin分校物理系从事博士后研究
工作经历2004年任物理所副研究员，2007年破格提升为研究员，2008年物理所博士生导师。2011年10月调到北京理工大学物理学院工作，任教授、博士生导师、理论和计算物理中心主任、副院长。
科研方向研究方向为计算物理和功能材料设计与制备，具体有：
（1）发展基于量子力学的计算方法，研究材料中反常霍尔效应、自旋霍尔效应、轨道霍尔效应、平面霍尔效应、热电效应、磁光效应、磁阻、磁矩以及拓扑等量子物性，特别关注自旋-轨道耦合体系的电子结构、BERRY相与量子物性之间的关系；在此基础上将开发和设计出相应的高性能并行计算软件包。
（2）结合理论设计、计算模拟和实验方法，研究各种新型量子功能材料（如拓扑绝缘体、拓扑超导体、二维层状量子材料等）及相关物性；通过研究光与物质的相互作用机理，设计出高效光能源量子转换材料，并制备高效的光电池和光催化器件。

学术论文  曾获2007年中科院物理所“科技新人奖”和 2011年中国科学院杰出科技成就奖”（拓扑绝缘体研究集体奖项-主要完成者之一），2012年获得国家杰出青年基金资助、“长江学者特聘教授”称号。中国计算物理学会理事，中国物理学会凝聚态计算专业委员会委员。International Journal of Modern Physics B，Modern Physics Letters B国际SCI期刊编委，Phys. Rev. Lett.、Nature子刊、Angew. Chem.、Advanced Materials等国际顶级杂志审稿人。承担国家自然科学基金面上项目、科技部973/量子调控等项目多项。

研究领域为计算物理和凝聚态理论，至今在SCI收录的杂志上发表70余篇研究论文,其中包括17篇Phys. Rev. Lett.，1篇Nat. Mater.，2篇Nano Lett.，2篇ACS Nano。在反常霍尔效应、拓扑绝缘体、石墨烯、硅烯等领域的研究成果获得了国内外同行的广泛关注，所有文章共被引用约2700次，其中过去十年有13篇论文入选ESI(High Cited Papers)，3篇论文单篇引用过200次，10篇论文单篇引用过100次，h-index=26,曾在美国APS年会等国际会议多次作邀请报告。
学术贡献：

姚裕贵教授长期从事计算物理和凝聚态理论研究，重要工作大都可归结于利用第一性原理方法研究真实材料的贝里相位效应范畴，简述如下：
(1) 第一性原理方法研究：
发展了精确计算反常输运物理量和适用于任意体系的拓扑不变量Ｚ2的第一性原理方法。
(2) 反常输运研究：
阐明反常Hall效应的内禀物理机制，并定量指出反常Hall效应中基于Berry Phase的内禀部分重要性。该工作单篇引用达200余次，并被国际上多个实验组验证。著名计算物理学家Vanderbilt在2006年Rahman奖（APS计算物理方面最高奖）的获奖报告中曾高度评价此工作。与实验合作，提出反常Hall效应内禀和外在部分的分解方法，并给出反常Hall效应中内禀电导率和磁化强度成线性关系的理论解释及定量计算，该工作被写进Michael P. Marder的《Condensed Matter Physics》教科书。在此基础上，国际上我们首先发展了计算其他反常输运物理量(如反常热电系数、自旋霍尔电导率等)的第一性原理方法，能定量解释和预测了相关实验。代表性论文：Phys. Rev. Lett. 92, 037204 (2004); 96, 037204 (2006); 97, 026603 (2006); 94, 226601 (2005); 95, 156601 (2005); 101, 067001 (2008)；Phys. Rev. B 79, 245123 (2009)；Comp. Phys. Comm. 183, 1849 (2012)。
(3)在拓扑绝缘体的研究方面：
国际上率先研究石墨烯中的自旋轨道耦合相互作用，并指出实验条件下量子自旋霍尔效应在纯石墨烯中不可能实现。该工作获得了国际上的广泛认可，单篇引用260余次。其中，诺贝尔奖获得者Geim和另一位著名科学家Kane（量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体概念提出者）分别在他们的Rev. Mod. Phys.综述中引用该工作并给予肯定。在此基础上，预测石墨烯通过吸附铁原子或者将其放在铁磁绝缘体上，可能观测到量子反常霍尔效应。首次指出类石墨烯体系-‘硅烯’，是二维拓扑绝缘体，并预测其可能实现量子自旋霍尔效应（单篇工作被引用250余次）、谷极化的量子反常霍尔效应和拓扑高温超导，引发了研究硅烯的热潮；预测了两类性能优良的量子自旋霍尔绝缘体- Bi4Br4和能隙最大的铋烷体系；还预测了Half-Heusler和黄铜矿两个体系中可能存在大量三维拓扑绝缘体，部分被实验证实。代表性论文：Phys. Rev. Lett. 105, 096404 (2010)；106, 016402 (2011)；107，076802 (2011)；107, 256801 (2011)；109， 056804 (2012); 109, 266405 (2012); 111， 066804 (2013)；112，106802 (2014)；Phys. Rev. B 75, 041401(R) (2007)；82, 161414(R) (2010)；84, 195430 (2011)；90，085431 (2014)；Nano Lett. 14, 4767 (2014)。

姚波

姚裕贵



姚裕贵，江西省星子县人，1971年生。现为北京理工大学工作，任教授、博士生导师、理论和计算物理中心主任、物理学院副院长。



中文名姚裕贵


国    籍中国


民    族汉族


出生地江西省星子县



出生日期1971年


职    业教授


毕业院校南开大学物理系


性    别男




目录

1人物履历

2研究方向

3学术成就

▪ 第一性原理▪ 反常输运▪ 拓扑绝缘体

1992年在南开大学物理系获得物理学学士学位，其后分别获得中科院上海光学精密机械研究所的光学硕士学位(1995)和中科院力学研究所的力学博士学位（1999）。
1999-2001年进入中科院物理研究所博士后流动站，出站后留所工作。
2001-2003年到美国Texas大学Austin分校物理系从事博士后研究，2004年任物理所副研究员，2007年破格提升为研究员，2008年物理所博士生导师。
2011年10月调到北京理工大学工作，任教授、博士生导师、理论和计算物理中心主任、物理学院副院长。曾获中科院物理所“科技新人奖”和“2011年中国科学院杰出科技成就奖”（拓扑绝缘体研究集体奖项-主要完成者之一），2012年获得国家杰出青年基金资助。International Journal of Modern Physics B，Modern Physics Letters B国际SCI期刊编委，Phys. Rev. Lett、Nature子刊、AdvancedMaterials等国际顶级杂志审稿人，2012年“长江学者”特聘教授。[1]

2

研究方向研究方向为计算物理和凝聚态理论，集中在自旋电子学和基于量子力学的计算领域，特别关注自旋-轨道耦合体系的电子结构、BERRY相与量子物性之间的关系。具体方向有：
（1）发展基于量子力学的计算方法，研究材料中反常霍尔效应、Z2，自旋霍尔效应、轨道霍尔效应、平面霍尔效应、热电效应、磁光效应、磁阻和磁矩等量子物性；
　　（2）在此基础上将开发和设计出相应的高性能并行计算软件包；
　　（3）设计各种新型功能材料并研究其力学、电、磁、光学及其它奇异量子物性，当前主要关注拓扑绝缘体、硅烯、石墨烯、多铁性材料、热电材料等体系。[1]

3

学术成就至今在SCI收录的杂志上发表60篇研究论文，其中包括15篇Phys. Rev. Lett，1篇Nano Lett.，5篇Phys. Rev. Rapid Commu.。这些研究成果获得了国内外同行的广泛注意，所有文章共被引用约1450次，引用文献中Rev. Mod. Phys. 10次， Phys. Rev. Lett. 130次和Phys. Rev系列 500次，此外引用文献中还有Science、Nature、 Nature子刊和Phys. Reports等刊物的文章。3篇论文单篇引用超过150次，并曾在美国APS年会等国际会议多次作邀请报告。过去重要工作大都可归结于利用第一性原理方法研究真实材料的贝里相位（Berry Phase）效应范畴。
第一性原理发展了精确计算反常输运物理量的第一性原理方法，是国际上此方向的开拓者之一；发展了适用于任意体系的拓扑不变量Z2的第一性原理计算方法，是国际上最早开展这方面工作的研究者。下述研究成果大多是基于这些程序得到的。
反常输运阐明了反常Hall效应的内禀物理机制，定量地指出了反常霍尔效应中基于Berry Phase的内禀部分的重要性；与实验合作，提出了反常霍尔效应内禀和外在部分的分解方法，并给出了反常霍尔效应中内禀电导率和磁化强度成线性关系的理论解释和定量计算。关于反常霍尔效应的计算理论工作单篇引用达170余次，并被国际上多个实验组所验证和证实，著名计算物理学家Vanderbilt在2006年Rahman奖（APS计算物理方面最高奖）的获奖报告中曾高度评价这个工作。与实验合作的工作和理论分析被写进Michael P. Marder的《Condensed Matter Physics》教科书。在此工作基础上，国际上我们还首先发展了计算反常热电系数、自旋霍尔电导率和磁阻的第一性原理计算方法，能定量地解释和预测相关实验。
拓扑绝缘体国际上首次研究了石墨烯中的自旋轨道耦合相互作用，并指出实验条件下量子自旋霍尔效应在纯石墨烯中不可能实现，该工作获得了国际上的广泛承认，单篇引用190余次，诺贝尔奖获得者Geim和量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体概念提出者Kane分别在他们的Rev. Mod. Phys.综述工作中引用这个工作并给予肯定。在此工作基础上，通过吸附铁原子或者将石墨烯放在铁磁绝缘体上，预测了在石墨烯中可能观测到量子反常霍尔效应；首次指出类石墨烯体系-硅烯是二维拓扑绝缘体，并预测此体系可能实现量子自旋霍尔效应，相关实验正在进展。进一步还预测了Half-Heusler和黄铜矿两个体系中可能存在大量三维拓扑绝缘体，部分材料得到实验证实。


参考资料

• 1．姚裕贵简介 ．凝聚态国家实验室 [引用日期2015-01-9] ．
  
  

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北理工姚裕贵教授的硅烯研究取得阶段性进展
(2013-03-27)

供稿：物理学院 周格羽  编辑：新闻中心 段炼

　　硅烯(silicene)是单层硅原子构成的有起伏的二维六角蜂窝结构，硅烯的晶体结构和能带图。(a),(b)分别为侧视图和俯视图。(c)定义了一个起伏角度。(d) 能带图。放大的部分为由于自旋轨道耦合作用在狄拉克点打开的能隙结构。一方面，硅烯由于具有与石墨烯类似的六角蜂窝结构，使得石墨烯中大多数新奇的物理性质，比如低能相对论的线性色散关系，都可以在硅烯中实现；另一方面由于硅烯具有起伏的结构，使得硅烯拥有石墨烯所不具有的一些优异性质。

　　近年来，姚裕贵教授研究组对硅烯体系进行了深入的研究，取得了一系列突出成果。量子自旋霍尔效应概念最早由Pennsylvania 大学的Kane和Mele提出，并认为在单层石墨烯样品可实现。但姚裕贵教授等随后的工作表明由于自旋轨道耦合在石墨烯中打开的能隙仅μeV量级，由此可以断定在本征石墨烯中只有在极低温（0.01mK）下才有可能观测到量子化的自旋霍尔效应。【Phys. Rev. B 75, 041401(R) (2007)，引用199次】。目前，实验上量子自旋霍尔效应仅在HgTe-CdTe量子阱体系中观测到，而该材料制备非常困难，这使实验研究受到很大的限制。想解决这一困境唯有另辟蹊径，2011年，姚裕贵教授研究组预言了在硅烯中18K温度下可以实现量子自旋霍尔效应。 此外，该小组还预言了二维锗与锡原子体系中也可实现量子自旋霍尔效应，并有可能在室温下观测到量子自旋霍尔效应【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用59次；Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)，引用24次】。硅烯可以非常好地与当今的硅基半导体工艺兼容，这是其他量子自旋霍尔体系所不具有的，可以预期硅烯有广泛的应用前景。

　　上述理论预言的提出立即引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室包括法国、日本和中国等国家的实验小组都在努力合成硅烯材料，争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路在硅烯中寻找量子自旋霍尔效应。最近，北京理工大学物理学院姚裕贵教授以及博士生刘铖铖在前面研究工作基础上，与中科院物理所吴克辉研究员实验小组以及孟胜研究员小组合作，对硅烯的晶体结构及电子性质展开了研究，并获得了一系列进展。通过在Ag表面上外延硅烯，发现了硅烯在Ag（111）面上形成新奇的√3x√3超结构相，同时结合第一原理计算，给出这种超结构的可能原子结构如图2所示。该工作还证实了硅烯中的Dirac费米子的存在，为进一步研究硅烯中的新奇量子效应提供了坚实的基础，成果发表在Phys. Rev. Lett. 109, 056804 (2012)。此外进一步理论计算结合实验表明，在合适的温度和覆盖度下，能够形成单原子层、甚至多原子层的硅烯薄膜。该工作对于如何制备硅烯薄膜给出了详细的指导信息，成果发表在 Nano Lett. 12, 3507 (2012)。最近，姚裕贵研究组和合作者还研究了双层硅烯的性质，预测了该体系将会出现d+id'手性拓扑超导性；通过对该体系施加应变，进一步预测在该体系中可能实现高温超导性【arXiv:1208.5596】。如果能被实验验证，那么这一发现很有可能将会使现代硅工业进入一个新纪元！需要指出的是，最近有实验迹象表明，硅烯可能是超导体【arXiv:1301.1431】。 以上工作得到了国家自然科学基金委、科技部的资助。

　　图2  A、B， 1x1（AB）的硅烯和√3x√3超结构（AB-A）的俯视图和侧视图。注意在√3x√3超结构的（2/3,2/3）的硅向下起伏。红色、黄色和绿色分别代表A位、B位和-A位。C， 1x1（AB）的硅烯和√3x√3超结构（AB-A）的结构相图。 D，大范围的√3x√3超结构。
　　参考文献：

　　1. Cheng-Cheng Liu, WanXiang Feng and Yugui Yao, Phys.Rev. Lett. 107, 076802 (2011).

　　2. Cheng-Cheng Liu, Hua Jiang and Yugui Yao, Phys. Rev. B 84, 10195430 (2011).

　　3. L. Chen, Cheng-Cheng Liu, B. Feng, X. He, P. Cheng, Z. Ding, S. Meng, Yugui Yao*, K. Wu*, Phys. Rev. Lett., 109, 056804 (2012)

　　4. B. Feng, Z. Ding, S. Meng, Yugui Yao, X. He, P. Cheng, L. Chen, and K. Wu, Nano Lett. 12, 3507 (2012).

　　5. Feng Liu, Cheng-Cheng Liu, Kehui Wu, Fan Yang, Yugui Yao，arXiv:1208.5596 (2012).

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我校姚裕贵教授团队预测新型量子自旋霍尔绝缘体——单层Bi4Br4
供稿： 物理学院 编辑： 物理学院 周格羽
　　量子自旋霍尔绝缘体，也称为二维拓扑绝缘体，是一类体内绝缘，边缘导电的二维材料。它的边缘态是由体态拓扑性质导致的，由时间反演不变性保护，不会受到非磁杂质的背散射，因而在低能耗电子器件中有着巨大的应用潜力。量子自旋霍尔绝缘体中丰富的物理内涵和潜在的应用价值使得它在近些年的凝聚态物理和材料科学领域中掀起了研究的热潮。然而到目前为止，实验上仅在HgTe/CdTe和InAs/GaSb两个量子阱体系中观测到了量子自旋霍尔效应。且由于体能隙太小，它们只能在极低温条件下工作，并且制备复杂。因而寻找新型的能隙较大的量子自旋霍尔绝缘体材料对进一步的理论和实验研究，以及未来的器件应用都具有至关重要的意义。
　　随着石墨烯的出现，从范德瓦尔斯层状化合物中剥离出的二维单层结构引起了广泛的关注。这类只有单个或者几个原子层厚度的二维材料具有不同于其三维体系的一些新奇特性,如石墨烯中的线性色散电子结构，二硫化钼中的谷霍尔效应等等。近些年来，姚裕贵教授研究组及其合作者致力于研究这类新兴二维材料中的量子自旋霍尔效应。石墨烯是首个理论上预言的量子自旋霍尔绝缘体，姚裕贵教授的研究发现石墨烯中由自旋轨道耦合打开的能隙非常小(μeV量级)，因而无法在实验可达的温度范围内工作【Phys. Rev. B 75,041401(R) (2007)，引用266次】。随后姚裕贵教授研究组又研究了硅的单层六角蜂窝结构-硅烯，并预言了硅烯在18K温度下可以实现量子自旋霍尔效应【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用253次】。
　　最近，北京理工大学姚裕贵教授指导周金健博士生、冯万祥博士、刘铖铖博士和管闪博士生在之前工作的基础上，通过第一性原理计算，研究并预言了单层Bi4Br4体系能够在室温下实现量子自旋霍尔效应。三维的Bi4Br4单晶是具有层状结构的半导体，层间耦合是弱的范德瓦尔斯作用，因而有可能通过机械剥离的办法制备出单层Bi4Br4。虽然三维的Bi4Br4是普通的半导体，但是它的单层结构却是量子自旋霍尔绝缘体，其体能隙约为180 meV,远高于室温条件(约26meV)。此外，如图1（中）所示，单层Bi4Br4的结构具有很强的各向异性，可以看成由无限长的一维链并排组成，链间的耦合相比链内耦合很弱。这种结构特性有利于形成原子级平整的边缘。局域在边缘上的拓扑边缘态具有单狄拉克点线性色散关系，是理想的无耗散导电通道，如图1（左）所示。该工作发表在Nano Lett. 14, 4767 (2014)。随后，姚裕贵研究组进一步研究发现，多层Bi4Br4体系中层间耦合对费米能级附近的低能电子结构影响很弱。特别地，当单层Bi4Br4放在单晶Bi4Br4表面时，单层体系的拓扑边缘态不会被破坏，如图2。这意味着，只需要在单晶Bi4Br4表面上通过纳米加工制备出单层的台阶结构，就可以得到一维无耗散导电通道，这表明该材料具有广阔的应用前景【arXiv:1409.0943】。以上工作得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。

　图1：单层Bi4Br4的结构示意图(中)，边缘态电子结构(左)，以及体能隙随单轴应力的变化(右)。

               

　 图2：三维Bi4Br4表面上的单层台阶结构示意图(右)，以及单层台阶上的拓扑边缘态电子结构(左)。

pszyyao

        姚裕贵，江西省星子县人，1971年生。现为北京理工大学工作，任教授、博士生导师、理论和计算物理中心主任、物理学院副院长。
        姚裕贵，江西省星子县人。与姚孝中是同宗吗？