周 磊

　

个人信息:

联系地址: 上海市邯郸路220号复旦大学物理系, 200433

工作地址: 科学楼429室

电话&传真: 86-21-65110575

电邮: phzhou@fudan.edu.cn

　
简历:

1988.9-1992.6 复旦大学物理系 本科

1992.9-1995.6 复旦大学物理系 硕士

1995.9-1997.6 复旦大学物理系 博士

1997.10-2000.3 日本仙台东北大学金属材料研究所 日本学术振兴事业团研究员

2000.4-2004.8 香港科技大学物理系 访问学者

2004.9- 复旦大学物理系 教授

　

研究兴趣及经历:

　

一. 磁性:

1) 量子自旋体系的理论方法

1992—1997年间，我在复旦大学物理系陶瑞宝教授的指导下攻读哲学博士学位，从事自旋体系的理论方法研究。曾花费10个月时间考GRE，TOFEL，盲目跟从“出国风”。1995年春天极度彷徨，不知出国的意义何在。最终战胜自我，在一个星期的痛苦思索后于3月12日做出决定，在复旦将学位拿到，然后找机会出国做博士后。当时的理由是在复旦的课题已全面展开，而放弃这一切去国外重新开始一段自己也不知道的经历不见得比现在更明智，而时间浪费了就找不回来了。以后的经历证明了此选择对我自己是正确的。特别感谢韩奎：他在我最彷徨的时候给了我正确的建议。


博士期间导师陶先生给了我极大的学术自由度，这极大地培养了我的独立工作能力。博士论文主要包括以下两部分：

（1） 解决了包含单体各向异性（ ）的量子自旋体系的一个理论难题。单体各向异性是量子自旋体系中最常见的一种各向异性：当D 〉0 时，我们称其为易平面各向异性（因XY面是磁矩喜欢呆的面），反之，我们称之为易轴（Z轴）各向异性。但在处理此类问题时，前人的理论方法总会碰到一个低能激发为虚数的问题。 需要注意的是，这是一个纯量子问题，在经典体系中并不存在。我们首先对自旋为1的体系提出一个新的自旋—玻色变换方法（特征角方法）： J. Phys. A: Math. Gen. 27 (1994) 5599 （这是我的处女作，文章接受时的激动心情到现在仍记忆犹新），解决了自旋为1的易平面各向异性体系的问题；后来结合局域坐标变换，我们发现可以相当成功地解决含任意形式单体各向异性的自旋为1的体系的问题： Phys. Rev. B 54 (1996) 6333 ；和师弟合作成功将特征角方法推广到S=3/2情形： Phys. Lett. A. 220 (1996) 158 。最后在仙台推广到任意自旋的情况（此为后话）： J. Phys. A: Math. Gen. 32, 6687 (1999) ，彻底解决了这个理论问题。

（2）提出了矫顽场的量子理论。传统的矫顽场理论是Stoner & Walfath 的经典理论，我们提出激发态能隙是判断亚稳态是否稳定的指标，而激发态能隙为0是即是自旋翻转的时刻。基于这个概念我们提出了矫顽场的量子理论，并用于计算分析磁多层膜的“覆盖层效应”：Phys. Rev. B 54 (1996) 9924， “多值记忆”： Phys. Rev. B 55 (1997) 3693，最后利用格林函数方法发展了有限温度的矫顽场的量子理论： Phys. Rev. B 57 (1998) 7863. （这个工作引起了欧洲一些实验工作者的注意，我们的一些预言被实验证实。在仙台时查到此文被他人引用，兴奋不已。）

2）磁流变液的基态

1997年春天，陶先生派我到香港科技大学物理系访问，有幸向沈平教授这样的国际知名科学家学习。最初的计划是与香港的一个公司合作发展一套微磁学的计算软件，后来沈平教授建议我和温维佳博士合作研究磁流变液的基态问题。电（磁）流变液是一些包含有介电（磁性）颗粒的悬浮液，它们的流体性质可以被外加电（磁）场控制。因其相应时间比机械控制时间快几个数量级，一旦这种材料的流变性质达到要求，它们可以广泛应用在汽车刹车等领域。在基础研究方面，当时在这个领域中国际上有着不小的争论—— 首先，为什么磁流变液有成柱现象（而且是椭球状）而电流变液却没有；其次，对磁流变液基态的柱子的直径与长度的级数依赖关系的指数大家也有不同的实验结果。我们经过研究提出一个统一的理论结合我们自己的实验结果平息了这场争论。理论的核心是退磁场效应。研究结果发表在 Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1509. （此文前后仅花了大约3个月的时间，以后再也没有那么快的速度了，这也是我在此领域中的唯一的一个工作。）

3) 过渡金属材料（包括磁薄膜，团簇等）的磁性

1997年秋天，我到日本仙台市东北大学金属材料研究所川添研究室从事博士后研究。还记得川添教授第一次和我谈话时即要求我摆脱博士时的课题，开发新的领域（至少是不同的方向或方法）。所以我经过一段时间的调研，选择研究过渡金属（Fe,Co,Ni）材料（包括磁薄膜，团簇等）的磁性，用的方法主要为巡游电子磁性理论,包括紧束缚模型计算和密度泛函理论第一原理计算。这是磁学这一博大精深的领域的另一面，和局域自旋理论（我博士期间的课题）互相补充。特别感谢金晓峰教授，在我去仙台前他给了我相当有价值的建议。

我在仙台做的第一个工作既是将矫顽场的量子理论推广到巡游电子磁性体系：Phys. Rev. B 59, (1999) 1028. （做此文时为我第一次完全独立工作，当时的艰辛和快乐现在仍历历在目）。1998年春天，中科院物理所磁学专家王鼎盛研究员访问仙台，我和王教授合作研究磁学中的一个难题：为什么现有的磁性理论计算能非常准确地给出过渡金属材料的磁矩，在计算磁晶各向异性时却甚至不能给出正确的符号？我们研究发现通常的理论忽略了“轨道关联”这一重要相互作用，只考虑了“自旋关联”项，而前者对磁晶各向异性（特别是低维体系）有着至关重要的影响。我们发展了一套包含“轨道关联”项的紧束缚模型计算方法，并用于计算过渡金属链的磁晶各向异性：Phys. Rev. B 60, 9545 (1999). 结果表明加不加“轨道关联”对结果有定性的改变。在此特别感激王教授对我在计算方法，科学工作习惯等各方面的培养。几年后王教授和南京大学万贤刚博士将此方法成功用于过渡金属团簇。他们的计算表明考虑“轨道关联”是成功解释实验的关键Phys. Rev. B 69 (2004) 174414. （王教授将此文列其学术生涯前10位）。

同时，我与王建涛（川添教授的博士生），王教授等合利用“密度泛函理论第一原理计算”研究过渡金属磁性多层膜的“磁构型” Phys. Rev. B 59 (1999) 6974.，磁性与体积之间的相互关联： Phys. Rev. B 60 3025 (1999).，“交换相互作用”，“相变温度”等性质： Phys. Rev. B 62 (2000) 3354. （在最后这篇文章中，我们结合第一原理计算和蒙特卡罗计算，不用任何的经验参数而得到的磁性体系的居里相变温度与实验相差小于5%！在此可以看到：结合磁学的两大支柱---巡游电子磁性理论和局域自旋理论，我们可以如此深入地理解物质的磁性性质！）。

我们研究小组的这批工作引起了国际上的一些关注。受Transworld Research Network邀请，申请人写了题为“Theoretical calculations on transition metal materials： from ab initio to tight-binding results”的综述，于2002年发表在Recent Research Developments in Physics第三卷。



二．电磁波Metamaterial的物性研究

2000年春天，我离开日本仙台再次来到香港科技大学物理系做访问学者。最初沈平教授建议我做有关Mott相变的题目，后来因实验无法实现而最终放弃。后来因为一个非常偶然的机会，我开始与沈平教授，陈子亭教授，温维佳博士，Jensen Li等合作，从事电磁波Metamaterial的物性研究。电磁波Metamaterial是从光子晶体中分支出来的，大致来讲，区别在于前者是由金属构成的而且不一定具有周期性结构，而传统的光子晶体是介电物质的周期结构。电磁波Metamaterial具有自然材料所不具备的特殊的光学性质，如负折射，打破衍射极限的超棱镜聚焦，同位相反射，亚波长透射。此领域的主要的推动者是英国物理学家J.B. Pendry, 是他首先提出了一种实现负折射的材料结构平且提出超棱镜聚焦的可能性。近年来，由于负折射材料的成功合成，此项研究在国际上相当热。试想：如果真可以打破衍射极限，传统光学中的好些结论都可能要重写！我们研究小组由于有理论，模拟，实验的紧密配合，在四年多来得到了一些国际上领先的结果。在此，我特别感谢陈子亭教授，和他合作的这四年是我学术上进步最大的时期。我们的研究结果可总结为三大类：



1）具有分型结构的光学材料。

想知道“分形”这种数学家提出的结构在实际生活中有什么应用么？我们发现一种具有分形结构的平面光学材料具有多重光子带隙，而且人们可以用另一个波源调制此平面材料的透射系数： Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 223901 。更有趣的是，一块很小的样品可以反射波长比样品的尺度大很多的电磁波： Appl. Phys. Lett. 82 (2003)1012，我们称此为亚波长效应。这种看似违反直觉的性质其实是由“分形”的独特内部结构决定的。当这种平面材料的背后贴一块相同大小的金属板时，这个三明治结构可以象“磁导体”一样反射电磁波（即反射波与入射波同相位），而非象金属一样反相位反射： Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 3257 。 我们将计算细节记录在： J. Phys. D: Appl. Phy., 37 (2004) 368 。 这些成果在实际中有许多可能的应用---比如给手机做个保护屏以避免人受到电磁波辐射，等等。我们申请了一个国际专利，主要合作者多次受邀做报告。

2）负折射材料性质研究。

我们发现了一种产生光子带隙的新机制——既平均折射系数为0。这种光子带隙只能在既有负折射材料又有正折射材料的复合材料中实现，并且性质和通常的BRAGG带隙有很大的不同： Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 083901 （此文发表后仅一年半即录得18篇他引！）。我们发现在各向异性的负折射材料中存在一个和通常的BREWSTER角不一样的独特的斜入射零反射现象：Phys. Rev. B 68 (2003) 115424 。 我们还研究了负折射材料的表面波与表面阻抗的关系： Appl. Phys. Lett., 84 (2004) 1444 。 在做这一系列问题时，我们不仅用解析推导，而且用“第一原理”的数值计算方法(具体来讲是“有限插分时域”)对真实系统进行模拟，以提出或设计实际结构为实验验证或应用打下坚实基础。所有这些研究表明，以前我们对常规材料的光学性质的研究并不适用于Metamaterial这种新型光学材料。后者的这些奇异的性质吸引了物理，电子工程，材料的理论和实验工作者的极大兴趣。

3）高透射基理研究。

在这个领域中我们发现了两个和以往理论均不相同的高透射的基理，这部分工作还在审稿过程中。

4）近期工作。

我们近期发现了两个不同的产生定向电磁波发射的机理：一个是利用Metamaterial制作亚波长谐振腔，一个是利用准晶图案构造高阻抗表面。实验和理论配合起来成功证明了这两种机制。我们还正在系统研究利用Metamaterial聚集过程中的时间效应。

代表作（供下载）

[1] “Ground states of magnetorheological fluids”
Lei Zhou, Weijia Wen and Ping Sheng, Phys. Rev. Lett. 81, (1998) 1509.

[2] “Subwavelength photonic band gaps from planar fractals",
Weijia Wen, Lei Zhou, Jensen Ji, Weigun Ge, C. T. Chan, Ping Sheng, Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 223901.

[3] “Photonic band gap from a stack of positive and negative index materials”,
Jensen Li, Lei Zhou, C. T. Chan, Ping Sheng, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 083901.

[4] “Reflectivity of planar metallic fractal patterns",
Lei Zhou, Weijia Wen, C. T. Chan, Ping Sheng, Appl. Phys. Lett. 82 (2003)1012.

[5] “Multiband subwavelength magnetic reflectors based on fractals”
Lei Zhou, Weijia Wen, C. T. Chan, P. Sheng, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 3257.

[6] “High impedance reflectivity and surface wave bandgaps in meta-materials”
Lei Zhou and C. T. Chan, Appl. Phys. Lett., 84 (2004) 1444.

[7] “Anisotropy and oblique total transmission at a planar negative-index interface”
Lei Zhou, C. T. Chan, and P. Sheng, Phys. Rev. B, 68 (2003) 115424.

[8] “Orbital correlation and magnetocrystalline anisotropy in one-dimensional transition metal systems”
Lei Zhou, Dingsheng Wang, and Yoshiyuki Kawazoe, Phys. Rev. B, 60, 9545 (1999).