什么是量子糾纏？這個困擾人類長達百年以上的宇宙之問雖然在1935年就被埃爾溫·薛定諤定義過，即它是量子力學(xué)最重要的特征，在量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)思路之間做了一個完全切割。但此后，每個想要完全證實其機制的人都奇異地在不同環(huán)節(jié)碰了壁，就連青史留名的偉大物理學(xué)家愛因斯坦都為之“惱怒”并“譏諷”量子糾纏為鬼魅般的超距作用。唯一令人慶幸的是，這些執(zhí)牛耳者之間的質(zhì)疑、爭論，順勢開啟了一個新的時代，一個令如西安交通大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授趙一凡一般的青年學(xué)者都相繼投身其中，甘愿為之“瘋狂”的“微觀量子時代”。

▲趙一凡

幽靈般的量子跨越時空，迄今已主導(dǎo)了多個行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，上至天文下至信息，量子的保密、通信及超級計算力都深深震撼著人類，也以這份獨特魅力吸引著趙一凡十?dāng)?shù)年如一日地深耕于智能薄膜傳感材料與器件領(lǐng)域。

電子自旋的“高分答卷”

通俗來講，量子糾纏大抵是指在空間上分開的兩個或多個粒子，由于某種相互作用，使得各個粒子所擁有的信息或物理性質(zhì)成為整體性質(zhì)而無法分離。舉例說明，即單個電子隨機地具有兩種可能的自旋模式，即所謂的“向上”或“向下”，而處于糾纏態(tài)的電子對（例如氦原子核外的電子），無法做到只測量其中一個電子的自旋而不影響另一個，也就是說單個電子的量子態(tài)無法從整體中剝離而不造成其他影響。這是后摩爾時代中，電子器件得以繼續(xù)不斷地輕量化、便攜化的技術(shù)核心，也是趙一凡從高中時代起就深植于心底的科學(xué)種子，只期有一天通過知識的不斷積累使其蔚然成林。

高中三年，一直身兼物理課代表的趙一凡天然便對物理學(xué)科多了一些關(guān)注與偏愛，所幸這份青睞也得到了成績的“回應(yīng)”，這讓他一直信心滿滿，期待著走進高等學(xué)府繼續(xù)物理之路的一天。但命運的車輪總不會一直按照既定軌跡向前，填報志愿時的經(jīng)驗欠缺使他對專業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了小小的誤判，陰差陽錯之下，他并未走進想象中的機械專業(yè)，反而轉(zhuǎn)投化學(xué)行列，與環(huán)境工程結(jié)下了不解之緣。

萬幸的是，入讀的學(xué)校十分契合趙一凡的“夢想清單”——西安交通大學(xué)在風(fēng)雨百年中始終秉持著“精勤求學(xué)，敦篤勵志，果毅力行，忠恕任事”的辦學(xué)宗旨，為莘莘學(xué)子撐起專研學(xué)術(shù)的一方純凈天地，讓無數(shù)有識之士在飽含知識的沃土中大有所為。這份淳樸的學(xué)風(fēng)如細雨般無聲滋潤著師生的心田，也使趙一凡無比留戀。本科畢業(yè)之后，他通過努力考入本校的機械工程專業(yè)繼續(xù)研讀、成長。從學(xué)生到博士后、從求知者到獨立做科研，駐足于今日回頭掐指算，趙一凡已在這所給予自己“科研生命”的母校度過了近20年。

而在此期間，趙一凡也多次交出了研究的高分答卷。自2017年參加工作以來，他共發(fā)表《科學(xué)引文索引》（SCI）論文47篇，獲批授權(quán)發(fā)明專利與實用新型專利3項，并主持多項國家重點研發(fā)計劃項目課題、國家自然科學(xué)基金青年項目等，始終錨定自旋量子信息材料與器件、智能薄膜傳感材料與器件、微納結(jié)構(gòu)測量與溯源的研究領(lǐng)域，致力于持量子之“武器”，破電子技術(shù)之困局。而2020年的國家自然科學(xué)基金青年項目“自然光誘導(dǎo)自由載流子的界面磁性調(diào)控研究”正是誕生在如此宏愿之下，也誕生在時代發(fā)展的需求里。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，磁性薄膜材料的應(yīng)用廣度被大大拓寬，尤其是存儲器件。其正是通過對電子自旋屬性的操縱來實現(xiàn)邏輯運算和高密度信息存儲的結(jié)合，實現(xiàn)信息中“0”和“1”的相互切換。傳統(tǒng)意義上講，對于電子自旋屬性調(diào)控的常規(guī)方法已有多種：磁場、電流、電場、應(yīng)力場及多場混合場等。然而這些常規(guī)調(diào)控手段也帶來了一系列復(fù)雜難解的問題：磁場調(diào)控磁性帶來了笨重的磁鐵及線圈，導(dǎo)致占用大量空間并且產(chǎn)生嚴(yán)重的能量損耗；電場調(diào)控機制的引入雖然降低了能耗，但卻難以實現(xiàn)電路集成化，無法擺脫供能網(wǎng)絡(luò)帶來的局限性；而應(yīng)力場對磁性調(diào)控則在很大程度上受到來自基底夾持效應(yīng)的限制，其中的非機械式應(yīng)變基底造成的高能耗問題在所難免。此時，通過弱光光場途徑調(diào)控磁性金屬電子自旋翻轉(zhuǎn)對于實現(xiàn)多材料耦合和多物理場調(diào)控的重要意義就顯得尤為亮眼。

趙一凡自然也關(guān)注到了這一點，在項目中，他將如何在室溫下使鐵磁材料磁矩在垂直于膜面和平行于膜面方向進行翻轉(zhuǎn)作為重點探索對象來深研，利用自然光建立起了光磁耦合的新型磁場調(diào)控機制，設(shè)計出具有對弱光響應(yīng)的磁性器件結(jié)構(gòu)，把控材料界面磁性變化，實現(xiàn)了多層耦合結(jié)構(gòu)經(jīng)典磁性效應(yīng)的自然光調(diào)控，促進了自旋電子器件的發(fā)展，為新型磁調(diào)控機制提供新的思路與視野。不過，這僅是其科研生涯的一個方面，智能柔性傳感器的出現(xiàn)讓越來越多的生活數(shù)據(jù)都走上了“云端”，但萬物互聯(lián)時代背景下的重點不應(yīng)只是“傳感器能傳回什么”，也應(yīng)在于“傳感器都能從哪里傳回數(shù)據(jù)”。

科學(xué)研究的無限可能

航空發(fā)動機，大國利器，其技術(shù)的進步對于建設(shè)航空強國的重要意義不言而喻。西安交通大學(xué)作為百年名校，也曾伴隨新中國的機械事業(yè)一起，在奮斗史上走出了長期奮斗、長期攻關(guān)、長期吃苦、長期奉獻的不平凡歷程。而昨日之史，今日之鑒，面對用以監(jiān)測航空發(fā)動機運行狀態(tài)的智能柔性傳感器難以承受高空高溫侵襲的痛難點，趙一凡深感責(zé)無旁貸，決心要在攻堅克難的勇毅擔(dān)當(dāng)中歷練，在日復(fù)一日的刻苦拼搏中成長，于是他在2022年擔(dān)當(dāng)起國家重點研發(fā)計劃項目子課題“耐高溫薄膜型典型功能陶瓷傳感器的設(shè)計與研制”的相關(guān)科研任務(wù)，力求制造出高可靠傳感器。

“研究高溫先驅(qū)體陶瓷薄膜傳感器多膜層異質(zhì)結(jié)構(gòu)對敏感性能影響機制是指導(dǎo)器件設(shè)計－制備－功能化全站式開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵。”趙一凡在項目的開端便條分縷析地闡明了要點。在接下來的3年時間里，他帶領(lǐng)團隊照著心中的藍圖逐步研究起了高靈敏異質(zhì)界面膜層權(quán)衡性匹配規(guī)律，多物理場耦合作用下敏感信號的形成/衰減機理與陶瓷薄膜傳感器的高溫損傷機理和失效機制，以及抑制干擾和噪聲影響敏感信號可靠輸出的技術(shù)方法，以期建立適應(yīng)多物理場耦合作用的抗失效優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)高性能、高可靠傳感器的制造。

通過分析多界面熱－力－電參量的傳遞特性，趙一凡團隊首先闡明了高溫薄膜傳感器多膜層結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)對高溫傳感器熱－電及力－電敏感性能的影響規(guī)律，并在梳理傳感器制備工藝與結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系及分析異質(zhì)界面對不同類傳感器靈敏度影響機制的基礎(chǔ)上，建立了不同類型先驅(qū)體陶瓷薄膜傳感器異質(zhì)界面權(quán)衡性匹配方法及高靈敏度設(shè)計方法。其次，他們開展了高溫環(huán)境下敏感信號的形成/衰減機理研究，通過分析信號傳輸干擾因素及噪聲來源，提出了組合信號濾波算法，實現(xiàn)信號的可靠采集，形成濾波算法－電路設(shè)計－先進封裝多維度的高溫環(huán)境信號抗干擾方法。最后，他們針對多物理場耦合作用下傳感耦合模型及傳感失效機制建立起傳感器熱－力－電模型及多物理場耦合數(shù)值仿真模型，揭示了功能陶瓷敏感薄膜工藝－結(jié)構(gòu)－功能之間的耦合關(guān)系，并且通過分析功能陶瓷高溫傳感器界面應(yīng)力分布，探究不同材料體系下功能陶瓷薄膜傳感器的高溫損傷演化過程與傳感器的失效原因，最終實現(xiàn)傳感器材料－工藝－結(jié)構(gòu)多維優(yōu)化，建立適應(yīng)多物理場耦合作用的抗失效設(shè)計方法。

“失去了可能性，也就失去了青春；而擁有可能性的人生，則永遠都是青春的。”這句話適用于青年科研人員，也同樣適用于正在高速發(fā)展的科技事業(yè)——無法被任何解釋框定，一切皆有可能。而趙一凡接下來要做的，便是繼續(xù)在無限可能中領(lǐng)略未知的精妙，創(chuàng)造科學(xué)的奇跡。