血液中流淌着藝術的物理大師_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-12-28 18:27
在凝聚態物理及至量子材料的悠悠發展長河中，磁學和磁性材料佔據了重要地位。海森堡的量子磁性理論和外斯的分子場理論，算是凝聚態物理和量子材料的經典內涵。而自旋電子學更是將量子物理運用到近乎極致，所以才有 GMR、spin - torque、磁性半導體、自旋流、反常霍爾效應等唯美而堪用的效應和功能。在這一長河中，一批一批人中龍鳳、理中翹楚盪漾其中，成為風景。當然，當風景側過，回首遠望那些消失和正在消失的背影，不捨、記憶與流連都成為寫者和讀者生活的一部分。中國科學院半導體研究所的趙建華教授，與這其中的一位長者、美國佛羅里達州立大學物理系的 Stephan von Molnár 教授，有多年學術上的聯繫及私人友誼的累積。趙老師應編輯之邀，筆下雋永，成得此文。編者在此謹向趙老師表示謝意。
——編按
撰文 | 趙建華（中科院半導體所研究員）
來源：量子材料QuantumMasterials
1 引 子
説起磁性半導體研究先驅，業內人士可能會想到日本東北大學現任校長 Hideo Ohno 教授。殊不知，Stephan von Molnár 教授是他上個世紀八十年代在美國 IBM 公司進行磁性半導體研究的引路人。Stephan 一生充滿傳奇色彩：他出生在一個有着高貴藝術血統的家庭，兒童時輾轉躲避納粹的迫害成為小移民，青少年時期經常活躍在觀眾歡呼的戲劇舞台上，博士畢業後成為 IBM Watson 研究中心出色的資深研究員和高管，最後歸宿佛羅里達州立大學物理系。Stephan 是一位徜徉在藝術和科學之間的物理大師。他無論到了哪裏，哪裏的情緒就會被他骨子裏洋溢出的藝術激情感染而高漲。如今，Stephan 的生命帷幕終於落下，這一天定格在 2020 年 11 月 17 日。
2 生命的軌跡
Stephan 1935 年出生在德國東部的萊比錫，一個藝術與科學相結合的家族。外公是科學讀物的出版商，外婆是個很有影響的藝術家，媽媽是著名歌劇演員，在鋼琴演奏上也很有造詣。1938 年臭名昭著的“水晶之夜”發生時，Stephan 才 3 歲。不幸的是，他媽媽是猶太人，而萊比錫是納粹導演這幕慘劇的發源地。為活命，媽媽直接逃到美國，Stephan 和哥哥則躲在德國鄉下一個修道院裏苟且地生活。二戰結束後，可能是家庭藝術基因的使然，他迷上了表演，成了當地有名的小童星。1947 年，12 歲的他移民到美國，與媽媽一起生活在紐約。他很快被百老匯的演出世界所吸引，一邊上學，一邊演戲，這在保留下來的劇照和緬因 Masque 劇院 1959 年 Stephan 主演的《All My Sons》與《Damn Yankees》等演職員表中得到了明證。這個青少年有一個夢想：他的奔放激情渴望在觀眾面前淋漓宣泄，他的藝術細胞太想在舞台上倍數增值。也許媽媽飽嘗了一個藝人在人間的辛酸苦難，他的演員夢在媽媽堅決的“No”聲中破碎，戛然而止。這對一個有表演天賦前途的孩子是殘酷的，從此遺憾的是美國百老匯，甚至好萊塢少了一個耀眼的大明星，幸運的是學術界多了一位材料物理大師。
1959 年在緬因大學畢業後，Stephan 去了杜邦公司聚合物部門工作，枯燥的化學實驗與他血管裏流淌的藝術血液格格不入。一年後，他辭掉了工作，重返校園，來到芝加哥大學，師從著名物理學家 Andy Werner Lawson 教授。1961年他跟隨 Lawson 教授來到加州大學河濱分校，在這裏，Stephan 成為了世界上磁性半導體研究的拓荒者，並於1965 年獲得了該校博士學位。之後他去了 IBM Watson 研究中心，在那裏工作了近 30 年。1994 年，他入職佛羅里達州立大學，任物理系教授，並擔任材料研究和技術中心 MARTECH 的主任。
Hänsel und Gretel; Engelbert Humperdinck
HMS Pinafore
3 開拓性的工作
意大利物理學家 Volta 發現半導體後長達 160 年的時間裏，人們一直認為半導體與磁性材料就像兩條並行的鐵軌，不可能有交集。然而，銪 (Eu) 的硫化物既具有磁性又具有半導體性質，打破了物理學界固有的觀念。這方面開拓性的工作是由集藝術與物理於一身的 Stephan 完成的，這是天意，還是巧合？Stephan 可能不自覺地把在表演中大膽的想象力與對角色細緻入微的理解融匯貫通到他的科研工作中，結果在深入研究磁性半導體過程中的好戲一幕接着一幕。
Stephan 的博士學位論文主要研究對象是第一代磁性半導體，即濃縮磁性半導體，具體利用鐵磁和順磁共振技術研究了 EuS 的磁各向異性。1965 年他入職 IBM Watson 研究中心，開啓了自旋電子學研究之路（雖然那時還沒有自旋電子學這個概念）。1967 年，他在摻 Gd 的鐵磁性 EuSe 中觀察到負巨磁阻效應以及居里温度附近的金屬 - 絕緣體相變現象，並與 Kasuya 合作首次提出了磁極化子的概念。同年，他設計製備出第一個半導體自旋電子學器件結構，基於磁性半導體 EuSe 的磁隧道結。七十年代中期，他在研究 Gd3-xVxS4 磁學性質時發現了磁極化子的直接實驗證據，磁場導致的金屬 - 絕緣體相變。八十年代後期，他與 Hiro Munekata、Hideo Ohno 合作製備出第一個 III – V 族稀磁半導體 InMnAs。九十年代中後期，他作為美國自旋電子學專家委員會成員，引領了掀起全球範圍內的自旋電子學研究熱潮。1994 年，Stephan 入職到佛羅里達州立大學後，除了堅持自旋電子學的研究，還拓展到納米物理、生物材料與技術，與同事熊鵬教授一道把始於 IBM 的微區霍爾磁強計技術發展成熟，並應用於生物分子傳感方面。
Stephan 在當代物理舞台上雖然不是最大的一盞燈，但絕對是磁性半導體單色光中最耀眼的一盞。他一生髮表學術文章 170 餘篇，總引用超過 2.4 萬次。在 IBM 工作期間他獲得了傑出貢獻獎，是 SRC 高級研究員，擔任過多種管理職務。他也是 Alexander von Humboldt 美國資深科學家獎獲得者和美國物理學會 APS fellow 和AAAS fellow。在佛羅里達州立大學工作期間，他是 Robert A. Kromhout 物理學教授，並擁有傑出研究教授的頭銜。
Stephan 豪爽奔放的氣質在他與別人的合作方面彰顯魅力。他不僅與本國同仁有良好合作，還積極與歐洲、亞洲國家的同行開展富有成效地合作。比如諾貝爾獎獲得者 Neil Mott、Leo Esaki，以及 Robert Buhrman、David Awshalom、Michael Coey、Hideo Ohno 等知名教授都是他人生科研舞台的密切合作伙伴。
4 與中國的合作
我 2000 年步入半導體自旋電子學領域時就拜讀過 Stephan 關於磁性半導體的文章，久仰其大名，2007 年在夏威夷召開的第四屆自旋電子學與量子信息技術國際學術會議 (Spintech IV) 上第一次認識他。那時候，半導體自旋電子學研究方興未艾，許多學術名家，像 Robert Buhrman、Stuart Wolf、David Awschalom、Hideo Ohno、Tomasz Dietl 以及 Emmanuel Rashba 夫婦等都參加了會議。Stephan 和熊老師正在尋找能夠生長 Fe/AlGaAs:Si 異質結構的研究組，想使用半導體 AlGaAs 作為自旋輸運溝道，結合光照調控摻雜 Si 的 AlGaAs 中電子密度，在同一個樣品上進行大範圍載流子濃度下的自旋動力學研究，以避免更換樣品帶來的誤差，精準建立載流子濃度和自旋壽命之間的定量關係。這是一個非常巧妙、很有創意的想法，那時我回國改造的雙生長室分子束外延 (MBE) 系統剛好可以製備滿足他們要求的樣品。
熊老師介紹我認識了 Stephan，會議休息期間，我們幾個進行了簡短的交流。初步印象：Stephan 胖胖的、個頭不高、面色紅潤、寬寬的額頭、整齊濃密的白色鬍鬚，活脱脱一個聖誕老人的形象。他聲音宏亮、中氣十足、形體誇張，整體極富藝術感染力。Stephan 是令人敬重的磁性半導體研究前輩，喜交談，身邊總是被一些大大小小的粉絲包圍着，儼然一個頭上永遠不會失去光環的電影明星。那次會議上，Stephan 做了一個 Introduction to Magnetic Semiconductors 的大會報告，他結合自己的工作，介紹了濃縮磁性半導體 EuS、II-VI 族稀磁半導體、III-V 族稀磁半導體以及氧化物磁性半導體方面的研究進展，最後給出了磁極化子是眾多磁性半導體的共同主題的結論。他還提醒大家要小心對待過渡族金屬摻雜的氧化物磁性半導體，最好能建立起純相體系開展研究。這個睿智的老人配上他那幽默誇張的表情和動作，時不時地引得聽眾們鬨然大笑，是為美好的記憶。
Spintech IV 會議揭開了我與 Stephan 開展合作的序幕，13 年過去了，我們合作得愉快，成果不菲。我從他身上學到了很多科研方法，成了相互關心的好朋友。2009 年我們一起成功申請了中國國家自然科學基金委 (NSFC)、美國國家科學基金會 (NSF) 聯合資助的項目“半導體 / 鐵磁體異質納米結構的磁性質及依賴於自旋的電學性質”，這是 NSFC 在凝聚態物理領域第一次資助的中美合作項目。雖然稱作“重大國際 (地區) 合作研究項目”，但當時資助額度並不太大，3 年 100 萬人民幣。這也是美國 NSF MWN 支持的第一個與中國科學家的合作項目，並連續支持了 2 期，共 6 年。順便提一下，關於中外合作項目，中國和外國項目資助的理念有點兒差別。中國方面認為，資助一次，意味着雙方已經建立起實在的合作，一般不會再資助第二次。而美國 NSF 管理部門認為，既然資助雙方的合作關係建立起來，有可能的話應該持續資助下去，保證合作關係穩定發展。
在雙方合作項目的支持下，我們合作發表了 10 餘篇文章，最新 1 篇論文剛在今年 10月 23 日被 ACS Nano 接受發表。早期參與這個合作項目的 Stephan 博士生 Jennifer Misuraca 先後兩次來中國，到我課題組做實驗。可能受 Stephan 的影響，Jennifer 也是性格開朗，愛説愛笑，很快就與我的學生們打成一片，以她為第一作者的合作工作分別發表在 PRB (2010)、APL (2013)、APL (2014)。她因此獲得了博愛教育組織 (Philanthropic Educational Organization) 獎學金，美國 NSF 還把當時 Jennifer 和我學生在超淨間 MBE 設備旁的合影放在主頁上，作為樣板宣傳，Stephan 對此相當滿意。
Stephan 先後兩次來中國訪問，對中國總是充滿溢美之詞。2008 年 10 月他攜夫人 Jean 第一次來北京，就我們開展的一些合作工作進行了深入細緻的討論。他在半導體所黃昆論壇上做了題目為“Magnetic Heterostructures for Spintronic Applications”的精彩報告。Stephan 是一個出色的演講家，總是能讓聽眾聚焦在他身上，跟着他的思路走。他從前的學生，現在物理所的李永慶研究員曾經告訴我：Stephan 雖然口才極佳，但每一次做報告前都要花費很多時間做準備，有時還在組裏預講。從Jennifer 身上也看到了他所教有方，比如 Jennifer 在我課題組參加組會，每一頁 PPT 的備註上都寫下她想説的話，包括問候語，可以説我的學生間接受到大師的教誨。
Stephan 的表演花絮不少。那天西郊賓館的一個門童看出他是一位有趣的人，總是熱切地望着 Stephan 夫婦。Stephan 則向門童假意討好地説，“我可以與你合個影嗎？”令人捧腹不忍。還有一次，我請他吃北京烤鴨，有一道菜叫火燎鴨心，他不知所以然，在聽了我的解釋後，他大口連吃好幾塊，然後拍着自己的啤酒肚子誇張地説壓力好大呀。
Stephan 第二次來中國訪問是在 2011 年 8 月中旬，我們在北京西郊賓館聯合舉辦了“固體中自旋輸運國際研討會”(Workshop on Spin Transport in Solids)，那次會議Ohno、Dietl、Laurens Molenkamp、Paul Crowell 等10 多位半導體自旋電子學領域的國際著名教授、國內部分知名學者以及近 200 名研究生參加了會議。當時已經 76 歲高齡的 Stephan 從頭至尾連續兩天認真聽報告、做筆記、積極提問，最後還做了細緻的總結。我們很感嘆他飽滿的科研激情。
這次 Stephan 來訪，讓我感動的還有一件事兒：他給我帶來了精心裝裱好的 1912 年愛因斯坦手稿影印件，此乃他出版商外公收藏的舊物，彌足可貴！此一珍品，我一直放在辦公室卷櫃裏，每每看到它們，就想起這位可敬的老人。可現在不知怎麼，我感覺這個發黃的手稿恍惚就像當年緬因 Masque 劇院的演職員表，藝術與科學相距並不遙遠。
5 情感的加深
這幾年我經常在 March Meeting 或者 MMM 會議上看到 Stephan 的身影。2010 年我去華盛頓參加 MMM - Intermag 聯合會議，順訪了佛羅里達州立大學，並有幸到 Stephan 家中做客。當時他指着家中掛滿朋友們照片的一面牆對我説，希望把我的照片也掛上去。Stephan 對中國有着特殊的感情，多次在郵件表達他想再來中國看看的願望。2015 年，永慶、熊老師和我曾計劃安排他重訪中國，並在北京舉辦一個自旋電子學方面的研討會，以這種特殊的方式祝賀他 80 歲的生日，Awschalom、Ohno、Dietl 等他的一些老朋友都制定日程來參加。但遺憾他夫人 Jean 查出身體患了癌症，未能成行。他和 Jean 於 1955 年結婚，感情甚篤，但這些都沒能挽留住 Jean。2015 年 7 月，陪伴他 60 年的 Jean 先他而走。Jean 的離世對 Stephan 的打擊很大，身體每況愈下，我們不敢貿然安排他跨越太平洋的長途旅行。最後一次見到他是 2016 年在新奧爾良召開的 MMM 會議上，那時他不僅需要拐杖協助走路，還帶着一個自助輪椅。但是他仍然勉力和認真地聽報告，尤其是他和熊老師學生的報告。2018 年夏天來訪的熊老師帶給我 Stephan 的一封信，結尾寫着：“I still have fading hopes of returning to China for a visit”，我看得心酸酸的。西方的作家為打動觀眾往往將戲劇結尾寫成悲劇，我實在不忍 Stephan 成為希望破滅的主人公。其實何止 Stephan，這個劇本中的主角還有我，彼岸那懷着希翼關懷我的眼神一天天暗淡下來，我們卻無力拽住天空劃過的那顆流星。我相信劇本痛楚的主角還有熊老師、他的學生以及所有和他深度相處過的人……
6 發自內心的感想
Stephan 對藝術的熱愛浸透他的血液，舞台藝術是他一生揮之不去的心結。熊老師的學生柳天寒説：耄耋之年的 Stephan 聽音樂會的座位是固定的，觀看的主要是 Tallahassee 交響樂團的經典曲目。2018 年熊老師帶來一份 Stephan 生平的報告錄像，其中前面部分是他對青葱歲月表演頗為得意的回憶。我看罷掩面沉思：他後來人生之路的改變，註定了他不再有舞台上彩虹般的美麗虛幻，好萊塢人行道也不可能有他名字的五角星。但他生活在物理的世界是真實可觸摸的，他大膽豐富的想象力與細膩入微的情感完美融合，在材料物理路上留下深深的開拓性腳印。的確，他失去了台下觀眾的尖叫與追捧，但他不會孤寂的，因為向山谷深情呼喊一定會有響亮迴音，物理學史會留下他生動的一頁，同事與朋友會繼承他的精神財富併發自內心地愛着他。想到這些，我們篤定天堂中的 Stephan 會發出燦然的微笑。
備註：
(1) 本文 2020 年 11 月 25 日撰於北京。
(2) 致謝：感謝佛羅里達州立大學熊鵬教授和中科院物理所李永慶研究員的審閲和訂正。
本文經授權轉載自微信公眾號“量子材料QuantumMaterials”。