钱天
钱天
简介:中国科学院物理研究所研究员、博士生导师、EX7组课题组长。2001年和2006年获得中国科学技术大学学士和博士学位，之后在韩国国立釜山大学博士后和日本东北大学JSPS外国人特别研究员，2009年加入中科院物理所任副研究员，2017年晋升为研究员。获得2018年第四届Sir Martin Wood中国物理科学奖、2020年度中国科学院青年科学家奖、2021年国家自然科学奖二等奖、国家自然科学基金委优青项目和万人计划青年拔尖人才项目资助。
基于角分辨光电子能谱（ARPES）实验技术研究拓扑、超导、关联等量子材料的电子结构。在Nature、Nat. Phys.、PRX、PRL、Sci. Adv.、Nat. Commun.上发表论文37篇（通讯/第一作者论文22篇），在Rev. Mod. Phys.、Nat. Rev. Phys.等期刊上撰写综述论文。研究成果入选“物理评论”系列期刊125周年纪念论文集（唯一来自中国本土的研究工作，共49项，其中34项获诺贝尔奖）、中国科学院改革开放四十年40项标志性重大科技成果、国际物理学年度十大突破和八大亮点工作、四次入选中国科学十大进展和中国十大科技进展新闻。
课题组网址：http://ex7.iphy.ac.cn
主要研究方向:
拓扑材料电子结构的表征与调控
1）拓扑材料电子结构全面表征：此前我们对拓扑材料电子结构的研究主要依托课题组牵头建设的上海同步辐射光源“梦之线”，同步辐射光源ARPES适合对材料占据态、平衡态电子结构进行大范围测量。随着课题组内多套先进ARPES设备的建成，我们将进一步结合组内的泵浦-探测激光ARPES和极紫外激光ARPES的优势，对拓扑材料的体态和表面态、占据态和未占据态以及平衡态和非平衡态的电子结构开展系统全面的高精度表征，提供非平庸拓扑性质的判定性实验证据，探索更多新奇的拓扑量子态和优异的拓扑材料。
2）实空间和动量空间电子结构联合表征：ARPES和STM是公认的对材料表面电子结构研究最重要的两种实验手段，ARPES测量动量空间布里渊区的电子能带结构，而STM测量实空间局域电子态密度的分布。课题组近期搭建了多套极低温强磁场STM设备，我们将结合ARPES和STM实验测量，更加全面地获取表面电子态的信息。对于拓扑超导体，分别测量拓扑表面态的能带结构和磁通涡旋中的马约拉纳零能模，提供确定的实验证据。将STM与空间分辨ARPES结合，测量一维边缘态的电子能带结构和态密度，探索二维拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体。
3）原位薄膜生长和电子结构表征：ARPES和STM实验要求在超高真空环境中处理出原子级平整的样品表面，而大多数拓扑材料具有三维的晶体结构，对于单晶材料很难通过超高真空解理的方式获得新鲜平整的表面。联合OMBE、PLD和MBE等多种薄膜生长技术，通过外延生长的方法制备出原子级平整的新鲜表面，再利用互连管道或者转移腔将样品在超高真空环境中传送到ARPES和STM设备中表征其电子结构。
4）原位调控和表征拓扑电子结构：结合压力、磁场、电场、光场、维度等调控手段可以从更多的角度来理解物理机制，还可能诱导出新的物理现象。将外场调控与ARPES和STM实验测量相结合，原位调控和表征拓扑材料的电子结构，为拓扑物性的研究和调控提供参考和指引。1）在面内或单轴方向施加应力，改变材料的晶格常数和晶体对称性，进而调控拓扑能带结构并诱发拓扑相变；2）对机械剥离的二维拓扑材料施加栅极电压，精准改变载流子浓度以及电场驱动能带反转，调控拓扑电子结构以及拓扑物性；3）通过超快脉冲激光驱动拓扑相变，产生在平衡状态下无法达到的亚稳态甚至稳态，发现新奇的拓扑物态并给出对应的电子结构特征；4）在STM实验中外加磁场，通过Zeeman效应产生能带自旋劈裂，或者破缺时间反演对称性，从而诱导磁性拓扑相变。5）机械剥离或外延生长制备不同层数的拓扑材料，表征电子结构随层数的演化，研究维度引起的拓扑相变，如三维磁性外尔半金属到二维量子反常霍尔效应的转变。
过去的主要工作及获得的成果:
基于ARPES实验技术通过电子结构表征对拓扑物态开展了系统的研究。首先通过ARPES测量材料电子结构，提供判定性的实验证据，证实了一系列新型拓扑量子态。2015年在TaAs中观测到体态外尔点和表面态费米弧，首次证实外尔费米子【Phys. Rev. X 5, 031013 (2015)、Nat. Phys. 11, 724 (2015)】。2017年在MoP中观测到体态能带的三重简并点，首次证实非传统类型的费米子——三重简并费米子【Nature 546, 627 (2017)】，并揭示非平庸拓扑性质【Nat. Phys. 14, 349 (2018)】。2019年在手性晶体中首次证实新型手性费米子【Nature 567, 496 (2019)】，并揭示费米子手性与晶体手性之间的对应关系【Nat. Commun. 10, 5505 (2019)】。这些工作完成了简并点拓扑半金属主要分类的实验确认。2017年在KHgSb中首次提供滑移对称性保护拓扑晶体绝缘体的实验证据【Sci. Adv. 3, e1602415 (2017)】，2021年在SrPb中首次证实旋转对称性保护的拓扑晶体绝缘体【Nat. Commun. 12, 2052 (2021)】，完成了时间反演不变拓扑晶体绝缘体主要分类的实验确认。在实验确认拓扑量子态的基础上，继续探索具有理想拓扑能带结构的材料，这是拓扑量子态能够表现出拓扑物性的前提。通过ARPES测量实验确认拓扑节线半金属ZrSiS 【Sci. Adv. 5, eaau6459 (2019)】、本征磁性拓扑绝缘体MnBi2nTe3n+1和EuSn2As2【Phys. Rev. X 9, 041039 (2019)】、磁性拓扑半金属EuCd2As2【Sci. Adv. 5, eaaw4718 (2019), Adv. Mater. 32, 1907565 (2020)】和EuB6【Phys. Rev. X 11, 021016 (2021)】等一系列理想的拓扑材料，测量得到的材料本征电子结构为后续的拓扑物性探索提供了重要的参考依据。然后进一步从弱相互作用拓扑材料拓展到强相互作用体系，探索拓扑能带结构中涌现出的关联电子态，在Nb3Cl8中发现平带电子关联导致单带莫特绝缘体态【Phys. Rev. X 13, 041049 (2023)】，在Ta2Pd3Te5中揭示狄拉克型能带电子－空穴库伦相互作用导致激子绝缘体态【Phys. Rev. X 14, 011046 (2024)】，为研究关联拓扑物态新奇物理效应奠定了基础。
代表性论文及专利:
部分通讯或一作论文及重要综述
24. Evidence for an excitonic insulator state in Ta2Pd3Te5
Jierui Huang et al., Physical Review X 14, 011046 (2024)
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.011046
23. Discovery of a single-band Mott insulator in a van der Waals flat-band compound
Shunye Gao et al., Physical Review X 13, 041049 (2023)
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041049
22. Intrinsic surface p-wave superconductivity in layered AuSn4
Wenliang Zhu et al., Nature Communications 14, 7012 (2023)
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42781-7
21. Experimental perspective on three-dimensional topological semimetals (Review article)
Baiqing Lv et al., Reviews of Modern Physics 93, 025002 (2021)
https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.93.025002
20. Time-reversal symmetry breaking driven topological phase transition in EuB6
Shunye Gao et al., Physical Review X 11, 021016 (2021)
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.021016
19. Discovery of C2 rotation anomaly in topological crystalline insulator SrPb
Wenhui Fan et al., Nature Communications 12, 2052 (2021)
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22350-6
18. Chiral fermion reversal in chiral crystals
Hang Li et al., Nature Communications 10, 5505 (2019)
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13435-4
17. Dirac Surface States in Intrinsic Magnetic Topological Insulators EuSn2As2 and MnBi2nTe3n+1
Hang Li et al., Physical Review X 9, 041039 (2019)
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041039
16. Angle-resolved photoemission spectroscopy and its application to topological materials (Review article)
Baiqing Lv et al., Nature Reviews Physics 1, 609 (2019)
https://www.nature.com/articles/s42254-019-0088-5
15. Spin fluctuation induced Weyl semimetal state in the paramagnetic phase of EuCd2As2
Junzhang Ma et al., Science Advances 5, eaaw4718 (2019)
https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw4718
14. Dirac nodal surfaces and nodal lines in ZrSiS
Binbin Fu et al., Science Advances 5, eaau6459 (2019)
https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaau6459
13. Observation of unconventional chiral fermions with extreme Fermi arc length in CoSi
Zhicheng Rao et al., Nature 567, 496 (2019)
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1031-8
12. Three-component fermions with surface Fermi arcs in tungsten carbide
Junzhang Ma et al., Nature Physics 14, 349 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41567-017-0021-8
11. Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide
Baiqing Lv et al., Nature 546, 627 (2017)
https://www.nature.com/articles/nature22390
10. Experimental evidence of hourglass fermion in the candidate nonsymmorphic topological insulator KHgSb
Junzhang Ma et al., Science Advances 3, e1602415 (2017)
https://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1602415
9. Topologically entangled Rashba-split Shockley states on the surface of grey arsenic
Peng Zhang et al., Physical Review Letters 118, 046802 (2017)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.046802
8. Compensated semimetal LaSb with unsaturated magnetoresistance
Lingkun Zeng et al., Physical Review Letters 117, 127204 (2016)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.127204
7. Evidence for topological edge states in a large energy gap near the step edges on the surface ZrTe5
Rui Wu et al., Physical Review X 6, 021017 (2016)
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.6.021017
6. Observation of Fermi-arc spin texture in TaAs
Baiqing Lv et al., Physical Review Letters 115, 217601 (2015)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.217601
5. Observation of Weyl nodes in TaAs
Baiqing Lv et al., Nature Physics 11, 724 (2015)
https://www.nature.com/articles/nphys3426
4. Experimental discovery of Weyl semimetal TaAs
Baiqing Lv et al., Physical Review X 5, 031013 (2015)
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.5.031013
3. Observation of strong electron pairing on bands without Fermi surfaces in LiFe1-xCoxAs
Hu Miao et al., Nature Communications 6, 6056 (2015)
https://www.nature.com/articles/ncomms7056
2. Correlation-induced self-doping in the iron-pnictide superconductor Ba2Ti2Fe2As4O
Junzhang Ma et al., Physical Review Letters 113, 266407 (2014)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.266407
1. Absence of a holelike Fermi surface for the iron-based K0.8Fe1.7Se2 superconductor revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy
Tian Qian et al., Physical Review Letters 106, 187001 (2011)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.106.187001
目前的研究课题及展望:
目前的研究课题集中在基于ARPES实验技术研究拓扑材料的电子结构，通过表征体态和表面态电子结构为候选拓扑材料提供判定性的实验证据，揭示磁性和关联效应对拓扑电子态的影响，利用光场和应力调控拓扑材料的电子态。
随着课题组一批先进的ARPES、STM和薄膜设备以及联合系统的搭建完成，将联合多种实验技术，拓扑方向的研究范围从平衡态扩展到非平衡态、从单晶扩展到薄膜和二维材料、从三维拓扑半金属/绝缘体扩展到拓扑超导体和高阶/二维拓扑绝缘体、从光场和应力调控扩展到栅压调控。
课题组近期已引进多名ARPES和STM方向的人才，将会极大地拓展课题组的研究方向，包括结合极低温超高分辨ARPES和极低温强磁场STM研究非常规超导机理、结合薄膜生长和ARPES/STM测量研究界面二维电子气和强关联体系绝缘-金属相变机理、结合泵浦-探测技术研究非平衡电子态的超快动力学行为以及光致激发态、结合样品定位STM和空间分辨ARPES研究和调控机械剥离二维材料的电子态、基于薄膜生长技术探索新型非常规超导薄膜材料。
除了前沿科学实验研究，课题组还致力于尖端仪器设备尤其是ARPES设备的建设。将以“光”为核心，在现有基础上进一步提升ARPES设备的性能，包括连续波激光与3He极低温技术结合提高极低温超高分辨ARPES的能量分辨率、泵浦激光从近红外延伸到长波中红外甚至太赫兹波段应用于时间分辨ARPES、激光重复频率重百MHz提升到GHz降低空间电荷效应提高信号强度、激光光斑尺寸聚焦到亚微米量级提高空间分辨能力、深紫外皮秒激光从7eV提升到10.8eV测量范围覆盖大部分材料的第一布里渊区。
培养研究生情况:
已培养博士生9名，目前3人在中科院物理所和国内一流大学取得职位，2人在国内外一流实验室做博士后，4人在华为、比亚迪等公司任职。
课题组丰富的仪器设备资源提供保障，可满足每年3~4名研究生加入。
其他联系方式:
电话：
010-82649416
Email:
tqian@iphy.ac.cn