2025年5月15日凌晨2：13，中國科學院大學在站博士后、特別研究助理趙國強收到了一封特殊的郵件。
“幾周前我們曾就您的這篇論文發過信件，審稿意見都非常積極，但迄今未收到回復。您打算近期重新提交這篇論文的修訂稿嗎？”看到這封來自凝聚態物理領域權威期刊《物理評論B》主編的“催稿”，趙國強激動萬分。
自2012年踏進稀磁半導體領域，趙國強就開始了漫長的闖關：稀磁半導體材料制備難、表征探測難、理論解析難……其中，機理問題成了困擾廣大科研人員的關鍵難題。
“針對稀磁半導體鐵磁機理持續數十年的爭論，傳統研究長期視‘磁性半導體’為半導體本體附加磁性修飾。”趙國強告訴《中國科學報》，然而，基于長期觀察和實驗，他創新性將其重新定義為“具半導體特性的磁體”，并對三代磁性半導體的鐵磁機理和系列物性問題做了統一認識。
“作者對不同類型的稀磁半導體進行了詳細的對比和總結，這可以作為研究領域的權威參考。”對此，論文審稿人作出高度評價。近日，相關研究發表于《物理評論B》，并被選為“編輯推薦”。
值得一提的是，圍繞稀磁半導體，他還有3篇第一作者論文也均在近一個月內上線。
在冷門領域“逆襲”
“稀磁半導體領域相對小眾，但意義深遠。”趙國強說，自20世紀60年代被提出后，稀磁半導體也曾有過“高光時刻”，但近十余年卻逐漸沉寂。
“稀磁半導體兼具半導體與磁體的雙重特性，既能像傳統半導體般處理和傳輸電子信號，又能像磁鐵一樣保留磁性信息。”趙國強告訴記者，因此這也成為開發新一代高效節能電子器件提供極具潛力的材料基礎。
而回顧稀磁半導體的研究歷程，多以材料體系的迭代為核心驅動力。無論是以(Ga,Mn)As體系為代表的第一代稀磁半導體，還是中國科學院物理研究所研究員（以下簡稱物理所）靳常青率先發現的BaZn?As?基第二代稀磁半導體，以及Na(Zn,Mn)Sb為代表的第三代稀磁半導體，都為稀磁半導體的研究、應用帶來新的可能。
然而，稀磁半導體作為強關聯電子體系，電子之間存在很強相互作用，現有理論計算方法大多依賴近似方法，只能給電子拍“單人照”，而忽視了其間相互影響，因此難以全面精準描繪稀磁半導體真實的物理狀態和能量圖景。
“尤其針對稀磁半導體中鐵磁序產生的微觀物理機制，學界存在諸多爭議，缺少統一共識。”趙國強表示，要想推進稀磁半導體的研究更進一步，解決鐵磁機理問題是重中之重。
然而，在本征半導體中摻入少量磁性元素時，只有極少數情況會產生鐵磁性，而大多數情況下會出現自旋玻璃態。
“過去研究大多只聚焦鐵磁性的物性特征來推導機理，往往陷入‘單軌思維’，我們則提出了‘雙軌互證’的新范式，將不同情況都視作同一機理的不同表現，再通過對比研究揭示全貌。”趙國強說，他們將這些不同的實驗觀測結果都視作揭開鐵磁機理“廬山真面目”的“橫嶺側峰”，“本質上就是同一物理本質的多維呈現。”
2018年底，趙國強轉換思路，創新地將稀磁半導體重新定義為“具半導體特性的磁體”，提出“基于鐵磁和自旋玻璃的類比及相圖演變”學術思想，嘗試對鐵磁機理進行系統研究。
通過整合4大材料家族、10余種摻雜組分的實驗與理論成果，趙國強依托團隊完整描繪了三代稀磁半導體不同狀態的演化路徑，發現鐵磁耦合與近鄰磁性原子的反鐵磁耦合的競爭決定了材料的磁性，當鐵磁主導時顯鐵磁性，反鐵磁主導時呈反鐵磁性，二者平衡時則產生自旋玻璃態。
理清鐵磁機理后，趙國強團隊開始了深入探索：基于BaZn?As?基稀磁半導體材料，提出系統的居里溫度提升方案，為室溫磁半導體開辟新道路；同時，瞄準其在半導體核心構建中的應用潛力，成功制備出首個n型磁性半導體單晶候選材料，為磁性半導體器件奠定基礎。
博士后決定從零開始
“研究稀磁半導體，不單單是找到合適的材料，更重要的是應用。”趙國強說，但這必須要掌握關鍵的測量技術，尋找與鐵磁機理最相關的物理性質。
然而，“稀磁半導體關鍵的磁學信號通常極其微弱，現有的實驗表征手段存在局限。”怎樣才能找到最合適的測量技術，趙國強犯了難。
基于對該領域的長期觀察與研究，他不斷梳理、回想、思考合適的解決方案。突然，他想起2012年剛接觸稀磁半導體時，曾讀過一篇文獻，詳細介紹了繆子自旋譜學技術——該技術能直接判斷材料磁性的均勻性，如果材料中磁有序含量達到了100%，就可以認為該磁學信號是材料本征特性，如果沒有達到100%，說明材料中還存在別的干擾信號。
繆子是一種不穩定的基本粒子，帶有一個單位電荷，帶正電基本粒子質量約為電子207倍，且具有很強的自旋極化特性，可以看做“納米磁針”，將其注入到材料中就會與周圍局域磁場發生相互作用，并在2.2微秒后衰變為正電子，通過測量其在磁場中的時序變化，就可以反演局域磁場信息，解析材料磁結構、電子態和動力學行為。
而要細數繆子自旋譜學技術領域的權威科學家，美國哥倫比亞大學教授Y.J.Uemura名列前茅。“幸運的是，他經常來物理所交流分享，有幾次我負責他的接送機工作。”趙國強回憶道，在車上，他抓緊時間，與Y.J.Uemura分享交流自身工作，“后來，我開始想，是不是用繆子自旋譜學技術能解決稀磁半導體的表征難題。”
思考良久，他決定試一試，向Y.J.Uemura發了郵件。這是一場豪賭。
“我并沒有繆子自旋譜學技術的基礎，就相當于在博士后階段從零開始。”趙國強說，但如果不嘗試，可能難以在稀磁半導體的研究上向前一步。但很快，Y.J.Uemura的郵件也給他潑了盆冷水，“他擔心我沒有相關基礎，入門難度更大，他也沒有足夠的經費來支持。”
趙國強不甘心放棄，他一邊自己摸索，和Y.J.Uemura保持聯絡，學習相關領域知識，一邊努力申請中國科學院大學的獎學金，終于在2018年10月來到Y.J.Uemura教授的團隊做聯合培養，并在國家留學基金委的資助下，做了兩年博士后研究。
從2018年10月到2021年11月，三年間，趙國強從最基礎的工作做起，一點一滴打下扎實基礎。“繆子自旋譜學技術在物理、化學、生物、能源等諸多領域都十分重要。”趙國強介紹，他到Y.J.Uemura團隊后，還嘗試了用該技術開辟“拓撲磁體MuSR新方向”，布局4大類材料，共研究10多種不同體系，“這幾年我積累了大量實驗數據，僅在這個方向就能以第一作者身份發表多篇論文。”
從稀磁半導體到繆子自旋譜學技術，趙國強自我調侃，“從一個冷門到另一個冷門”，但這正是這段“轉行”的獨特經歷，為他后續一系列成果奠定堅實基礎。
“國家需要，我就干”
盡管繆子自旋譜學技術應用前景廣闊，但目前全球四大繆子源分別分布于英國、日本、瑞士、加拿大，與其他國家相比，我國起步較晚，落后約60年。
“2022年夏天，有一個國際合作實驗的機會，當時我剛結束在Y.J.Uemura教授團隊的博士后工作。我們共同開拓的拓撲磁學研究新方向需要繼續推進，我們都希望能把課題做好，保持長期合作。”趙國強回憶道，然而，當時新型冠狀病毒感染肆虐，“出門都困難，更別提出國了。”
趙國強陷入兩難境地：一頭是未知的風險，以及家人朋友的擔心和牽掛；一頭是莫大的機遇，“國內繼續發展繆子自旋譜學技術，需要有人把這項技術帶回國內。”他沒有考慮太多，在國內有一定研究基礎和支撐，在國外有頂尖團隊指導支持，“國家科技發展需要這項技術，我就要干。”
經過前期的協調溝通，趙國強先把所有需要的實驗材料寄到國外，在國內完成配套測試后，2022年6月，他一個人踏上這次特殊的出國之旅。從北京轉機福建再到加拿大，十幾個小時不吃不喝，為了盡快完成實驗，他在加拿大TRIUMF實驗室奮戰40天，平均每日工作時間超過16個小時，不僅高效完成了自己的實驗，還協助合作方和實驗室其他科學家完成工作，終于采集了足夠的數據，整個人暴瘦了23斤。
回國時，他拿著一封特殊的信——TRIUMF實驗室的資深線站科學家Kenji專門寫了封感謝信，交由他帶回中國科學院大學。信中高度評價了趙國強的實驗進展、專業能力和團隊精神，并提出了在新一代繆子探測器研發上的合作意向。
“繆子自旋譜學技術在各國都備受關注，我們不能掉隊。”趙國強說，而此行也成功深化了他與國際頂尖團隊在相關領域的合作。
回國后，趙國強收到了又一個好消息：他成功被評選為中國科學院大學特別研究助理。“相當于給了我們青年科研人員更多支持，一定程度上免除后顧之憂，讓我們能沉下心投入科研工作。”趙國強說，他備受鼓舞，全身心投入量子材料的繆子自旋譜學研究，目前與中國散裂中子源、中國科學技術大學等諸多研究團隊，在繆子自旋譜學的軟件開發方面開展深度合作，2030年，我國將會有自己的繆子源。
回望十三年的研究歷程，趙國強非常感謝導師靳常青、Y.J.Uemura，多位合作者和學校的支持，他也嘗試將這份支持傳遞下去。
現在的他多了一重身份——中國科學院博士后聯誼會（簡稱博聯會）理事長。“目前中國科學院在站博士后有1萬多人，分布在100多個培養單位。我們的核心任務就是發現和培養有潛力成為戰略科學家的‘“好苗子’，簡單概括就是“精于學術、強于管理、心懷公義。”趙國強說，在院人事局指導下，博聯會以“構建全院博士后工作體系”為目標，聚焦學術，做好保障，服務“博士后全科研生命周期”。
“2025年7月5日是中國博士后制度實施40周年，我們已經啟動中國科學院博士后聯誼會《年鑒》編纂工作。”采訪結束，趙國強腳步匆匆，除了做好博聯會工作、發現培養骨干人才外，他的科研工作也從未停下，“過幾天又要出國進行科研實驗，希望能得到足夠的數據，推動我國繆子自旋譜學的量子材料研究更進一步。”
相關論文信息：
https://journals.aps.org/prb/accepted/10.1103/myxg-tt85
https://doi.org/10.3390/nano15130975
https://doi.org/10.3390/cryst15060582
https://doi.org/10.3390/condmat10020030
趙國強（左）與導師Y.J.Uemura（受訪者供圖）
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