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博士生导师

姓名:Prof. Yugui Yao 姚裕贵
所在学科:物理学院
职称:长江特聘教授、杰青、北京大学量子材料中心客座教授
联系电话:86-10-68918672
E-mail:ygyao@bit.edu.cn
通信地址:北京海淀区中关村南大街5号 新葡萄京娱乐场8455 邮编 100081
实验室主页:http://www.qfmda.com/

个人简历

  1992年在南开大学获得物理学学士学位,其后分别获得中科院上海光机所的光学硕士学位(1995)和力学所的力学博士学位(1999)。

工作经历

1999-2003年先后在中科院物理所、美国Texas大学Austin分校从事博士后研究;

2001-2011年在中科院物理所先后任助理研究员、副研究员、研究员;

2011年底调到新葡萄京娱乐场8455工作,现任物理学院执行院长。

获奖情况

  2011年获得中国科学院杰出科技成就奖;2012年获得国家杰出青年基金资助、入选长江学者特聘教授计划;2014年入选科技部中青年科技创新领军人才计划;2016年入选国家万人计划中的科技创新领军人才计划;2017年获北京市高等教育教学成果二等奖;2018年入选科睿唯安物理领域高被引科学家名单,同年获得国家科学技术奖自然科学奖二等奖(第一完成人)。

科研方向

  研究方向为凝聚态物理、计算物理和材料物理,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、贝里相位与量子物性之间的关系;在此基础上将开发和设计相应的高性能并行计算软件包。

  (2)结合理论设计、计算模拟和实验探索,研究各种新型量子功能材料(如拓扑绝缘体、拓扑半金属、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。

  具体研究方向还可参考:

  实验室介绍:http://www.qfmda.com

  个人主页:/szdw/gccrc/zjxzjq/yyg13/index.htm

  文章列表: http://www.researcherid.com/rid/A-8411-2012

学术成就

  迄今共发表SCI论文160余篇【包括 Phy. Rev. Lett.(23篇),Phy. Rev. B/A/E/M(70余篇),Nature子刊(5篇),影响因子>10的顶级期刊论文(10余篇),等】,在反常输运、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等领域的研究成果具有重要国际影响并被同行包括多位诺贝尔奖获得者广泛引用,共被SCI引用11500余次,目前每年引用2000余次,单篇最高引用1300余次,5篇论文引用超过500次,H指数48,并入选科睿唯安物理领域“高被引科学家”名单【物理学科 2018 年全球共 211 人】。曾在美国 APS、MRS年会等国际重要会议多次作邀请报告。承担过多项国家基金面上项目、基金委重点项目、创新研究群体项目、国家重点研发计划、973计划和量子调控等项目。

学术贡献

  针对材料中贝里相位效应相关的关键科学问题,率先发展了反常输运物理量与拓扑不变量的第一性原理计算方法,并系统地应用于反常输运和拓扑物性的研究。是第一性原理研究反常输运现象的开拓者之一,关于反常输运的部分成果被写进了教科书;同时引领了硅烯等二维拓扑材料的研究,所提出的理论模型被冠名,等等。这些原创成果加深了人们对真实复杂材料中新奇量子现象的理解,加速了新量子态材料的发现,推动了凝聚态和计算物理相关领域的发展。

  具体简述如下:

  (1)反常输运研究:

  1881年霍尔发现反常霍尔效应,一百多年以来人们对它的物理起源一直存在争议。以前人们通常认为反常霍尔效应是由外在散射机制引起,而忽略内禀贝里相位机制。2004年姚裕贵等率先发展了反常霍尔电导率的第一性原理方法,定量地研究了反常霍尔效应中基于贝里相的内禀机制,指出了内禀机制的重要性。该工作解决了长期悬而未决的科学难题-“内禀机制贡献在反常霍尔效应中是否重要”,颠覆了此前“外在机制占主导,内禀机制不重要”的传统认识,实质性地推动了反常霍尔效应研究的发展。该工作单篇引用达392次,并被国际上多个实验组验证。著名计算物理学家美国科学院院士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,并在其论文中指出该研究具有开拓性。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,我们在国际上还率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,定量解释和预测了相关实验。

  (2)拓扑绝缘体研究:

  二维拓扑绝缘体的研究:

  量子自旋霍尔效应态由 Kane等在石墨烯模型中首次提出,姚裕贵等在国际上率先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认可,单篇引用598次。其中,诺贝尔奖获得者Geim和美国科学院院士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.综述中引用该结论。在此基础上,提出了石墨烯中通过吸附铁原子或者将其放在铁磁绝缘体上实现量子反常霍尔效应的全新方案,该工作是最早的几个理论方案之一,激发了诸多后续理论和实验研究,单篇引用375次。与石墨烯相比,硅烯等具有强的自旋轨道耦合作用,能隙易调,更易谷极化,与当代成熟的硅基半导体工艺兼容等优势,预计在未来的自旋电子学和纳米电子学器件等领域具有广泛的应用前景。2011年姚裕贵等首次指出类石墨烯体系-‘硅烯’、‘锗烯’、‘锡烯’是二维拓扑绝缘体,并预测其可能实现量子自旋霍尔效应(相关理论文章单篇引用1344次、708次)、谷极化的量子反常霍尔效应和拓扑高温超导等,该系列工作引发了理论和实验上研究硅烯、锗烯、锡烯的热潮,文中提出的相关理论模型被文献中命名为(Liu-Yao-Feng-Ezawa 模型),同时World Scientific 出版社出版的《Quantum Hall Effects》专著第三版第21章收录了该工作,并进行了重点引用。2012年和实验合作在金属银衬底上合成了硅烯,是世界上最早合成硅烯的三个实验组之一,相关实验论文单篇引用800次、509次。此外,还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,实验正在证实中。

  三维拓扑绝缘体的研究:

  姚裕贵等还率先发展了适用于任意体系的拓扑不变量Z2的第一性原理方法,国际上首次实现了无空间反演体系Z2的计算,并利用该方法预测了Half-Heusler和黄铜矿两个新体系中可能存在大量三维拓扑绝缘体,所预言的部分拓扑材料已被美国、波兰、中国等研究组的实验所证实。该系列工作发表以后立即引起同行的重视,被包括国外的综述在内的很多论文引用,美国科学院院士张首晟教授也在他的综述Rep. Prog. Phys.中大篇幅引用我们的工作;预测了beta-Bi4X4(X="Br," I)体系是弱拓扑绝缘体,该体系是第一个被实验所证实的三维弱拓扑绝缘体;在alpha-Bi4Br4中实验发现高压诱导的相变和超导电性;发现本征拓扑绝缘体中存在能带反转诱导的反常等离激元;等等。

  扑半金属研究:

  理论与实验相结合,国际上首次验证二维Cu2Si中存在Dirac节线费米子,首次在铁磁单原子层GdAg2材料中观测到二维外尔“节线”半金属;理论发现了第二类节线半金属;理论发现强拓扑绝缘体和弱拓扑绝缘体拓扑相变区间会形成复合Weyl半金属;理论发现第二类Weyl半金属中存在新奇磁响应行为以及朗道能级坍塌现象;应变下拓扑半金属的拓扑相变与人工引力场模拟;等等。

教学经历

  主讲本科生课程《计算科学》、《专业导论》和研究生课程《计算物理》。

招生及学生工作

  本团队每年拟招收多名保送或考研研究生(硕士生、硕博连读生或博士生)、博士后。研究方向为:凝聚态理论、计算与实验。对学生的要求:1. 热爱科学研究,如果不是真心喜欢或仅需要文凭者请您不要报考我;2. 刻苦勤奋、工作主动;3. 鼓励学科交叉(物理、数学、力学、计算机、材料等专业学生可报考我)。报考前请和我联系,优秀生面试通过后可预录取,在读期间表现优秀者有出国交流机会。至今为止毕业10余个博士生,除1人在加州理工学院做博士后深造,其余都在高校或研究所工作。

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