科学研究

发展定位

基于北京理工大学建设世界一流大学的发展定位，落实学校高质量建设珠海校区的总体部署，聚焦国家量子战略，发挥物理学国家“双一流”建设学科特色和人才优势，多校区联动，国际科学前沿与湾区发展双轮并驱，努力发展成为具有国际影响力的量子科技领域人才培养基地和学科高地。

建设目标

以“服务国家战略需求、构建国际学术平台、汇聚高端学术人才、开辟新质生产力”为主要建设目标，以量子材料的理论与设计、计算方法与软件开发、调控与应用为学科方向，基于开发量子技术中的物质科学的重大关键问题进行攻关，建设量子材料珠港澳国际研究中心，形成本、硕、博三级人才培养体系，拓展培育面向新材料、电子信息、新能源、航空航天、智能制造、生物医药等多行业的前沿交叉科研方向，最终建设成具有国际影响力的量子技术和物质科学研究平台，达到以平台汇聚人才、以平台培养人才、以平台培育新质生产力的目的，提升国家“双一流”建设学科物理学的国际地位。

研究方向

（1）量子材料理论与设计

运用基础理论建立物理模型并使用计算机模拟计算，设计新型量子功能材料，包括拓扑量子材料、二维量子材料、量子磁性材料、超导材料和平带材料等；近期重点研究方向包括利用第一性原理计算方法搜寻性能优异的磁性拓扑材料（包括磁性拓扑半金属、轴子绝缘体以及陈拓扑绝缘体等）和二维量子材料，并研究真实材料的奇异物态；基于演生粒子在三维晶体中的完全分类，建立三维及低维体系中（包括磁性材料）完整的演生粒子百科词典和拓扑半金属材料数据库。在物性方面，主要关注非线性霍尔效应、光电效应、等离激元效应、磁输运特性、磁光效应、自旋输运等新奇物性。

（2）量子材料计算方法与软件开发

发展基于量子力学的计算方法，开发相应的高性能并行计算软件包，包括贝利相位相关物理、拓扑物性、电声耦合作用、多体电子关联和元激发、光与物质相互作用等物理效应和过程的计算方法和计算软件；研究各种调控手段对量子材料的电子输运、光电、磁性、磁电、磁光、超导等物性的定量影响，为构筑新型量子材料和器件提供科学基础。开发完善基于DFT计算反常/自旋霍尔电导率、反常/自旋能斯特电导率、磁光效应、磁电耦合、自旋纹理、拓扑不变量 Z₂、陈数和拓扑表面态、电声耦合、电子输运、电子动力学模拟等一系列材料物性相关的计算软件包；开发完善基于磁群的共表示的相关程序，包括SpaceGroupIrep、MagneticTB、 MagneticKP等。

（3）量子材料调控与应用

研究新奇的自旋、能谷、电荷等输运和光电响应性质；结合TDDFT研究不同物性在外场（光场、电场、磁场等）作用下的非平衡动力学响应及其微观机制；结合理论预测，探索相应量子态的调控，深入理解其量子特性的物理根源和调控机制，为开发新型量子功能器件奠定基础。利用时间、空间分辨的光学手段对能谷极化和空间输运过程进行探测。探索全新的能谷拓扑态材料体系，同时探索光学方法结合外场调控产生能谷拓扑态的可行方案，为开发新型量子光电器件奠定基础。另一方面，研究在高压极端条件下调控新型量子功能材料和器件。在极端条件下全面探究材料在多场（压力、电场和磁场等）调控下的结构、物性变化规律，探索拓扑量子器件的材料基础。研究结构应变对电子和自旋结构影响的物理机制，以发展高效率、低能耗量子功能原型器件。

学科建设

量子材料是北京理工大学物理学科的建设特色，建有“国际量子物理中心”成员单位的量子技术研究学科特区。北京理工大学物理学科是工业和信息化部重点学科，学科水平达到国际先进，设有“物理学”一级学科博士授权点，ESI排名进入全球前1%，2019年学科排名进入全国前7%，并被学科发展水平动态监控数据平台定位为雄鹰型学科，2022年“物理学”入选国家“双一流”建设学科（工信部高校理科唯一），2022年在QS“物理与天文”学科中位居国内高校并列第10名，2023年获批量子信息本科专业，成为国内最早一批能够培养量子技术人才的基地之一。

团队成员

北京理工大学（珠海）量子材料科研团队是北京理工大学物理学科在珠海校区的先头团队，已形成以姚裕贵教授为带头人的核心成员19人，其中国家级高层次青年人才7人，香港、澳门知名学者5人，博导16人。

姚裕贵，北京理工大学杰出教授，博士生导师，获国家杰出青年基金资助，入选教育部高层次人才项目、国家高层次人才特殊支持计划、科技部中青年科技创新领军人才计划，美国物理学会会士，享受国务院政府特殊津贴。长期从事新型量子功能材料的设计与调控研究，荣获国家科学技术奖自然科学奖二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、教育部和北京市自然科学二等奖、北京市有突出贡献人才、北京市首届先进科技工作者、北京市高等教育教学成果二等奖等奖项，2018～2023年连续六年入选科睿唯安高被引科学家名单，2023年牵头获批基金委创新群体研究项目，发表SCI论文300余篇，包括Nature（2篇）及Nature子刊（21篇）、Phys. Rev. Lett./X（39篇）、Phys. Rev. B/A/E/M/R(>100篇)，10篇论文单篇引用超过500次（含5篇纯理论论文）。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23000余次，H指数70。主持或承担过多项国家基金委创新研究群体项目、国家基金委重点项目、国家基金委国际(地区)合作与交流项目、国家重点研发计划项目、国家重点专项项目等。

周金健，北京理工大学准聘教授，博士生导师，特立青年学者，入选国家级高层次青年人才项目。 主要从事计算凝聚态物理研究，致力于发展材料物性的第一性原理方法和计算软件。发展了电声耦合，载流子输运和准粒子超快动力学过程等一系列计算新方法，并自主研发了相应的高性能计算软件包Perturbo。在Phys. Rev. Lett., Nano Lett., Nat. Commun.等国际顶级期刊发表SCI论文30余篇，受邀在美国物理学年会等国际重要学术会议上作邀请报告。

韩俊峰，北京理工大学物理学院教授，博士生导师。主要从事量子功能材料生长与物性分析、红外光电探测器、薄膜太阳能电池、生物传感器等方面的基础和应用研究工作。主持和参与国家自然基金、科技部重点项目、国防重点项目、北京市重点项目等科研项目9项。已在国际知名SCI期刊发表论文100余篇，引用1900余次，授权国家发明专利12项，出版学术专著1本，获得北京市高等教育教学成果二等奖1项。

蒋伟，北京理工大学物理学院准聘教授，博士生导师，入选国家级高层次青年人才。主要研究集中于新型电子和磁性拓扑材料和物性领域，从事新型多功能量子材料和自旋电子学器件的理论计算和模拟工作。发表包含Nature、Nat. Commun.、Phys. Rev. Lett. 和Nano Lett.等学术论文40余篇。应邀撰写Acc. Chem. Res.有机框架拓扑材料综述以及有机自旋学著作‘spin in Organics’中拓扑材料章节。

费瑞翔，北京理工大学物理学院准聘教授，入选国家级海外高层次青年人才。主要研究方向为电子与光相互作用的理论计算，及相应材料在新一代低功耗光电子和自旋电子学器件中的应用。在二维铁电、黑磷、非线性光电效应等领域的研究成果具有重要的国际影响并被同行包括诺贝尔奖获得者引用，共被SCI引用5000余次，H指数24。

冯万祥，北京理工大学长聘教授，博士生导师，入选教育部青年长江学者。长期从事拓扑量子材料及其磁输运性质的基础理论和计算研究，在Phys. Rev. Lett.、Nature子刊、Nano Lett.等期刊发表50余篇论文。研究成果被国内外同行正面评价和广泛引用，总计他引8000余次（WOS），H因子28。关于三维Z₂拓扑绝缘体、二维材料MoS₂的自旋霍尔电导率和电子迁移率、反铁磁中可存在磁光效应的4项理论预言已被国内外多个实验课题组证实，部分成果被收录到国外物理学研究生教材和学术专著。受邀在美国APS年会、德国DPG年会上做邀请报告。主持国家自然科学基金面上项目3项、中德合作项目1项、科技部重点研发计划子课题2项、科技部973计划子课题1项。先后获得2016年德国洪堡学者、2018年国家自然科学二等奖、2020年中国材料研究学会计算材料学奖青年奖、2021年教育部青年长江学者、2022年教育部自然科学二等奖、2022年北京理工大学优秀博士学位论文指导教师、2022年北京高校优秀本科育人团队。担任中国材料研究学会计算材料学分会委员、中国核学会计算物理学分会理事。

郑法伟，北京理工大学教授，国家优秀青年基金获得者。长期从事计算凝聚态物理研究，致力于凝聚态物理新计算方法的发展和应用，关注能谱分析方法和复杂磁结构的预测方法，以及人工智能在凝聚态物理中的应用等方面。发表SCI论文100余篇，包括Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、 Nano Lett.、 Adv. Sci.、Comput. Phys. Commun.、Phys. Rev. B/D、Nanoscale、Appl. Phys. Lett.等，获得专利3项，软件著作权5项。

余智明，北京理工大学物理学院准聘教授，博士生导师，国家优秀青年基金（海外）获得者。长期从事量子材料的奇异拓扑、能谷、磁电效应和界面散射等方面的研究，目前以第一作者或通讯作者发表已经发表 SCI 论文 40 余篇，包括 5 篇 Phys. Rev. Lett.、2 篇 Nat. Commun.、20 余篇 Phys. Rev. B 和 1 篇 Sci. Bull.等；所有文章被引用近 6000 余次，H 指数 35。

王秩伟，北京理工大学准聘教授，博士生导师，入选教育部青年长江学者。长期从事量子材料的晶体生长和新材料探索、材料的物理性质以及物性与结构、微结构相关联研究、纳米材料的生长和基本表征以及为国内外知名课题组提供高质量样品。目前以第一作者或主要合作者在Nature, Nat. Mater., Nat. Phys., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. X, Sci. Adv., Nano Lett., Chem. Mater., Phys. Rev. B等国际学术期刊上发表SCI论文近100篇，文章被引用2300多次。担任中国物理学会、亚太物理学会、欧洲应用超导学会、美国化学学会等学会会员。

游泳，北京理工大学珠海学院教授，广东省“千百十”工程人才，校级教学名师，长期从事物理学相关传感技术及其检测方法的研究，广东省本科高校物理学类专业教学指导委员会委员、广东省本科高校物理实验工作委员会副主任委员、中国无损检测学会常务理事、广东省无损检测学会副理事长、广东省测控技术与装备促进会理事、广东省真空学会理事、珠海市无损检测学会秘书长、全国无损检测标准化委员会技术专家、亚太航空航天无损检测高峰论坛组委会主席等。

张闰午，北京理工大学物理学院特别研究员，博士生导师。长期从事新型量子功能材料设计与调控方面的研究，主要通过电荷、自旋、能谷、拓扑等自由度和序参量的耦合来研究优异的力、热、光、电、磁等性质。重点关注基础性的前沿科技领域如新奇拓扑量子物态（拓扑绝缘体、拓扑半金属等）、低维量子功能材料（二维异质结、磁性半导体、能谷材料等）。目前以第一作者或通讯作者发表 SCI 论文25篇，包括2篇Phys. Rev. Lett.、2篇Nano Lett.、1篇ACS Nano、1篇Adv. Funct. Mater. 和4篇Phys. Rev. B 等，H 指数22。主持2项国家自然科学基金项目，2项中国博士后基金项目。先后获山东省科学技术奖自然科学奖二等奖（第三完成人）、IOP高被引作者奖。

胡麟，北京理工大学物理学院副研究员。主要从事计算凝聚态物理研究，目前研究方向重点集中在材料生长机制（第三代半导体，传统半导体Si/Ge，GaAs等），复杂结构对半导体电子结构性质的影响和物性调控，以及机器学习在计算凝聚态物理中的应用等领域。至今在Phys. Rev. Lett., Nano Lett.等国际重要学术期刊上发表多篇高水平论文，其中关于半导体中螺旋位错所引发的新奇自旋轨道耦合机制的研究，被PRL杂志选为“Editors’ Suggestion”和“Featured in Physics”，被相关领域专家高度评价。主持自然科学基金面上项目，主要参与国家重点研发计划青年项目等其他多个重要项目。

关梦雪，北京理工大学物理学院特别研究员，博士生导师。主要从事激发态量子动力学与超快过程的研究，致力于探索凝聚态材料与外场的相互作用，开发基于第一性原理的含时密度泛函软件包。目前发表SCI论文28篇， 其中一作、通讯文章共 17 篇，包括 Phys. Rev. Lett.，Nat. Commun.，Sci. Adv.各2篇。研究成果被相关领域专家高度评价，部分理论被实验证实。主持国家自然科学基金项目及中国博士后基金项目各1项。曾获“ICAM-中国新兴科学家奖”及中国科学院“院长优秀奖”等奖项。

刘贵斌，北京理工大学物理学院副教授，博士生导师。研究方向为凝聚态理论物理和计算物理，累计主持及参与国家自然科学基金、科技部等国家级项目7项。已在Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Chem. Soc. Rev、Phys. Rev. B、Comput. Phys. Commun.等国际知名SCI期刊发表学术论文 50 余篇，被引 9000 余次，担任多个国际期刊审稿人；多次在国际国内会议上做学术报告；连续四年（2019-2022 ）入选 Elsevier 发布的 World’s top 2% scientists 名单；获2022年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）二等奖。

周迪，北京理工大学物理学院副教授，博士生导师。长期从事新型拓扑超材料的研究，包括力学、声学、和电学超材料的设计与调控研究。以第一/通讯作者发表论文十余篇，其中包括Nat. Commun. 1篇，Phys. Rev. X 1篇，和Phys. Rev. Lett. 2篇。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目各一项。

研究成果

（1）反常输运研究

研究了反常霍尔效应中基于贝里相位的内禀机制，创造性发展了计算内禀反常霍尔电导率的第一性原理方法，并指出了内禀机制的重要性，解决了长期悬而未决的科学难题，即“内禀机制贡献在反常霍尔效应中是否重要”的问题，纠正了此前“外在机制占主导，内禀机制不重要”得看法，对反常霍尔效应的研究起到了实质性的推动作用，相关论文【PRL 92, 037204(2004)】引起了学界的广泛关注（SCI引用685次），被著名计算物理学家，美国科学院院士David Vanderbilt教授，日本东京大学N.Nagaosa教授等领域内代表人物多次引用并高度评价。在此基础上发展了计算自旋霍尔电导率的第一性原理方法，系统地研究了半导体和简单金属的自旋霍尔电导率[PRL 95, 156601 (2005)]。同时预测了磁化的石墨烯中可观测到量子反常霍尔效应[PRB 82, 161414 (2010), SCI引用527次]；指出通过外场调控可在硅烯中实现谷极化的量子反常霍尔效应，即同时具有量子化的谷霍尔效应和反常霍尔效应[PRL 112, 106802 (2014)，SCI引用278次]。

最近，团队详细研究了自旋零带隙节线半金属的内禀与外在反常/自旋输运性质, 清晰地建立了拓扑电子结构与反常输运之间的联系[PRL 129, 097201 (2022)]；还进一步提出了具有时空反演对称性的一大类反铁磁体中实现面内反常霍尔效应的普适理论 [PRL 130, 166702 (2023)]，预测了材料体系并被实验证实[Nature 609, 46 (2022)]；此外在近期备受关注的交错磁体中，发现了由晶体时间反演对称性破缺导致的晶体热输运现象[PRL 132 056701 (2024)]，并被选为编辑推荐（Editors’Suggestion）。

（2）拓扑体系研究-硅烯等第四主族烯体系，三维拓扑材料

研究了量子自旋霍尔效应在二维材料中的实现，创造性提出了类石墨烯体系-如硅烯、锗烯、锡烯是二维拓扑绝缘体【PRL 107, 076802 (2011), PRB 84, 195430 (2011)】，解决了以往二维拓扑绝缘体系的结构复杂以及测量温度极低的问题，同时引领性的预测了诸如硅烯中谷极化的量子反常霍尔效应【PRL 112, 106802 (2014)】，拓扑高温超导【PRL 111, 066804 (2013)，PRL 121, 217001 (2018)】，以及一系列大能隙的二维拓扑绝缘体，如Bi₄Br₄【Nano Lett. 14，4767 (2014)，PRB 90, 085431 (2014)，NPG Asia Mater. 6, e147 (2014)】，以及理想的弱拓扑绝缘体β-Bi₄X₄(X=Br, I)【PRL 116, 066801 (2016)】；该系列研究对二维体系拓扑相的研究做出了创新性的贡献，具有很高的国际影响力，其中关于硅烯的二维拓扑材料的工作【PRL 107, 076802 (2011), PRB 84, 195430 (2011)】分别被引用1988和1048次，前者为该领域公开发表论文中引用第二高的文章。相关理论模型被称为“LYFE”模型被广泛引用，部分材料也被实验锁验证，如2019年日本实验组发表在Nature上的实验论文表明在β-Bi₄I₄中的确观测到了弱拓扑绝缘体态【Nature 566, 518 (2019)】，β-Bi₄I₄因此成为首个被实验证实的三维弱拓扑绝缘体。近期与普林斯顿大学合作，深入研究Bi₄Br₄体系中的拓扑棱态，发现了室温量子自旋霍尔边缘态的证据【Nat. Mater. 21, 1111 (2022)，Nat. Phys. 2024】。

在二维体系的研究基础上，发展了计算拓扑不变量Z₂的第一性原理方法，并成功预测了黄铜矿和 half-Heusler等体系中存在大量三维强拓扑绝缘体材料【PRB 82, 235121 (2010)；PRL 105, 096404 (2010)；PRL 106, 016402 (2011)】。同时还提出了兼具准金属、半金属、拓扑节线等特点的一种新型磁性拓扑量子物态—自旋零带隙节线半金属，并预言了一系列具有该特征的真实材料，如PdF₃、MnF₃和LiV₂F₆ 【PRL 124，016402 (2020)；Nano Lett. 21, 8749 (2021)】。部分材料已被国内外多个研究组的实验证实。该系列工作被国内外学者广泛引用。美国科学院院士张首晟教授（拓扑绝缘体研究先驱之一）也在Rep. Prog. Phys.综述论文中大篇幅引用这些结果。对笼目结构超导材料AV₃Sb₅（A=K, Rb, Cs）进行深入研究 【PRB 104, 075148 (2021); PRB 105, L180507 (2022)】；在该体系中观测到无节点、几乎各向同性且与轨道无关的超导能隙，取得突破性进展【Nature, 617, 488 (2023)】。

（3）量子材料计算方法-三维晶体演生粒子百科全书

首次建立了三维晶体中所有可能演生粒子的完整列表，涵盖了固体中电子体系的自旋粒子，以及声子和人工虚拟晶体等体系中的无自旋粒子。该工作给出演生粒子、对称性条件、有效模型和拓扑特征之间的详细对应关系，为在物理系统中实现相关演生粒子提供了具体指导【Sci. Bull. 67, 375 (2022)】。在此基础上，团队进一步研究了磁群中受到对称性保护的演生粒子，通过建立演生粒子的完整分类与磁群的对应关系，以及包含有效哈密顿量、能带色散和拓扑荷等演生粒子详细信息的百科全书，为在磁性材料中搜寻所需类型演生粒子提供了理论参考【PRB 105, 085117 (2022); PRB 105, 104426 (2022)】。团队在计算物理领域深耕十余载，形成了具有自主知识产权的演生粒子在线数据库【Sci. Bull. 67, 375 (2022); PRB 105, 085117 (2022); PRB 105, 104426 (2022); PRB 107, 075405 (2023)】、反常输运计算【PRL 92, 037204 (2004)】、拓扑不变量计算【Comput. Phys. Commun. 183(9), 1849-1859 (2012)】、群表示工具【Comput. Phys. Commun. 265, 107993 (2021); 288, 108722 (2023)】、TB和KP哈密顿量构造工具【Comput. Phys. Commun. 270, 108153 (2022)；290,108784 (2023)】等软件，团队基于磁群的共表示理论开发了Mathematica程序包MagneticTB，可以生成符合任意1651个磁群对称性的紧束缚模型。这些算法、程序和百科已经被国内计算物理学界广泛采用，拥有很大的用户群体，显著加速了拓扑材料的设计与物性的研究过程。

表1：演生粒子百科全书【Sci. Bull. 67, 375 (2022)】