赵一凡 | 探寻量子之精妙，创造无限之可能

什么是量子纠缠？这个困扰人类长达百年以上的宇宙之问虽然在1935年就被埃尔温·薛定谔定义过，即它是量子力学最重要的特征，在量子力学与经典力学思路之间做了一个完全切割。但此后，每个想要完全证实其机制的人都奇异地在不同环节碰了壁，就连青史留名的伟大物理学家爱因斯坦都为之“恼怒”并“讥讽”量子纠缠为鬼魅般的超距作用。唯一令人庆幸的是，这些执牛耳者之间的质疑、争论，顺势开启了一个新的时代，一个令如西安交通大学仪器科学与技术学院副教授赵一凡一般的青年学者都相继投身其中，甘愿为之“疯狂”的“微观量子时代”。

▲赵一凡

幽灵般的量子跨越时空，迄今已主导了多个行业的发展态势，上至天文下至信息，量子的保密、通信及超级计算力都深深震撼着人类，也以这份独特魅力吸引着赵一凡十数年如一日地深耕于智能薄膜传感材料与器件领域。

电子自旋的“高分答卷”

通俗来讲，量子纠缠大抵是指在空间上分开的两个或多个粒子，由于某种相互作用，使得各个粒子所拥有的信息或物理性质成为整体性质而无法分离。举例说明，即单个电子随机地具有两种可能的自旋模式，即所谓的“向上”或“向下”，而处于纠缠态的电子对（例如氦原子核外的电子），无法做到只测量其中一个电子的自旋而不影响另一个，也就是说单个电子的量子态无法从整体中剥离而不造成其他影响。这是后摩尔时代中，电子器件得以继续不断地轻量化、便携化的技术核心，也是赵一凡从高中时代起就深植于心底的科学种子，只期有一天通过知识的不断积累使其蔚然成林。

高中三年，一直身兼物理课代表的赵一凡天然便对物理学科多了一些关注与偏爱，所幸这份青睐也得到了成绩的“回应”，这让他一直信心满满，期待着走进高等学府继续物理之路的一天。但命运的车轮总不会一直按照既定轨迹向前，填报志愿时的经验欠缺使他对专业发展产生了小小的误判，阴差阳错之下，他并未走进想象中的机械专业，反而转投化学行列，与环境工程结下了不解之缘。

万幸的是，入读的学校十分契合赵一凡的“梦想清单”——西安交通大学在风雨百年中始终秉持着“精勤求学，敦笃励志，果毅力行，忠恕任事”的办学宗旨，为莘莘学子撑起专研学术的一方纯净天地，让无数有识之士在饱含知识的沃土中大有所为。这份淳朴的学风如细雨般无声滋润着师生的心田，也使赵一凡无比留恋。本科毕业之后，他通过努力考入本校的机械工程专业继续研读、成长。从学生到博士后、从求知者到独立做科研，驻足于今日回头掐指算，赵一凡已在这所给予自己“科研生命”的母校度过了近20年。

而在此期间，赵一凡也多次交出了研究的高分答卷。自2017年参加工作以来，他共发表《科学引文索引》（SCI）论文47篇，获批授权发明专利与实用新型专利3项，并主持多项国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金青年项目等，始终锚定自旋量子信息材料与器件、智能薄膜传感材料与器件、微纳结构测量与溯源的研究领域，致力于持量子之“武器”，破电子技术之困局。而2020年的国家自然科学基金青年项目“自然光诱导自由载流子的界面磁性调控研究”正是诞生在如此宏愿之下，也诞生在时代发展的需求里。

随着现代技术的不断发展，磁性薄膜材料的应用广度被大大拓宽，尤其是存储器件。其正是通过对电子自旋属性的操纵来实现逻辑运算和高密度信息存储的结合，实现信息中“0”和“1”的相互切换。传统意义上讲，对于电子自旋属性调控的常规方法已有多种：磁场、电流、电场、应力场及多场混合场等。然而这些常规调控手段也带来了一系列复杂难解的问题：磁场调控磁性带来了笨重的磁铁及线圈，导致占用大量空间并且产生严重的能量损耗；电场调控机制的引入虽然降低了能耗，但却难以实现电路集成化，无法摆脱供能网络带来的局限性；而应力场对磁性调控则在很大程度上受到来自基底夹持效应的限制，其中的非机械式应变基底造成的高能耗问题在所难免。此时，通过弱光光场途径调控磁性金属电子自旋翻转对于实现多材料耦合和多物理场调控的重要意义就显得尤为亮眼。

赵一凡自然也关注到了这一点，在项目中，他将如何在室温下使铁磁材料磁矩在垂直于膜面和平行于膜面方向进行翻转作为重点探索对象来深研，利用自然光建立起了光磁耦合的新型磁场调控机制，设计出具有对弱光响应的磁性器件结构，把控材料界面磁性变化，实现了多层耦合结构经典磁性效应的自然光调控，促进了自旋电子器件的发展，为新型磁调控机制提供新的思路与视野。不过，这仅是其科研生涯的一个方面，智能柔性传感器的出现让越来越多的生活数据都走上了“云端”，但万物互联时代背景下的重点不应只是“传感器能传回什么”，也应在于“传感器都能从哪里传回数据”。

科学研究的无限可能

航空发动机，大国利器，其技术的进步对于建设航空强国的重要意义不言而喻。西安交通大学作为百年名校，也曾伴随新中国的机械事业一起，在奋斗史上走出了长期奋斗、长期攻关、长期吃苦、长期奉献的不平凡历程。而昨日之史，今日之鉴，面对用以监测航空发动机运行状态的智能柔性传感器难以承受高空高温侵袭的痛难点，赵一凡深感责无旁贷，决心要在攻坚克难的勇毅担当中历练，在日复一日的刻苦拼搏中成长，于是他在2022年担当起国家重点研发计划项目子课题“耐高温薄膜型典型功能陶瓷传感器的设计与研制”的相关科研任务，力求制造出高可靠传感器。

“研究高温先驱体陶瓷薄膜传感器多膜层异质结构对敏感性能影响机制是指导器件设计－制备－功能化全站式开发应用的关键。”赵一凡在项目的开端便条分缕析地阐明了要点。在接下来的3年时间里，他带领团队照着心中的蓝图逐步研究起了高灵敏异质界面膜层权衡性匹配规律，多物理场耦合作用下敏感信号的形成/衰减机理与陶瓷薄膜传感器的高温损伤机理和失效机制，以及抑制干扰和噪声影响敏感信号可靠输出的技术方法，以期建立适应多物理场耦合作用的抗失效优化设计方法，实现高性能、高可靠传感器的制造。

通过分析多界面热－力－电参量的传递特性，赵一凡团队首先阐明了高温薄膜传感器多膜层结构尺度效应对高温传感器热－电及力－电敏感性能的影响规律，并在梳理传感器制备工艺与结构特性的关系及分析异质界面对不同类传感器灵敏度影响机制的基础上，建立了不同类型先驱体陶瓷薄膜传感器异质界面权衡性匹配方法及高灵敏度设计方法。其次，他们开展了高温环境下敏感信号的形成/衰减机理研究，通过分析信号传输干扰因素及噪声来源，提出了组合信号滤波算法，实现信号的可靠采集，形成滤波算法－电路设计－先进封装多维度的高温环境信号抗干扰方法。最后，他们针对多物理场耦合作用下传感耦合模型及传感失效机制建立起传感器热－力－电模型及多物理场耦合数值仿真模型，揭示了功能陶瓷敏感薄膜工艺－结构－功能之间的耦合关系，并且通过分析功能陶瓷高温传感器界面应力分布，探究不同材料体系下功能陶瓷薄膜传感器的高温损伤演化过程与传感器的失效原因，最终实现传感器材料－工艺－结构多维优化，建立适应多物理场耦合作用的抗失效设计方法。

“失去了可能性，也就失去了青春；而拥有可能性的人生，则永远都是青春的。”这句话适用于青年科研人员，也同样适用于正在高速发展的科技事业——无法被任何解释框定，一切皆有可能。而赵一凡接下来要做的，便是继续在无限可能中领略未知的精妙，创造科学的奇迹。