大家好，我叫沈洁，2019年11月刚回物理所，任职特聘研究员。主要研究方向是拓扑量子计算，因为刚回国非常需要学生，欢迎有志之士加入我的团队。我的邮箱是 shenjie@iphy.ac.cn
简介:
现任中国科学院物理研究所特聘研究员，入选中科院百人计划A类。2008年在东南大学获得学士学位，2013年中科院物理所获得博士学位，先后在耶鲁大学（2013-2015）、荷兰代尔夫特理工大学实验室（2015-2019）做博士后。
过去的主要工作及获得的成果:
近几十年来凝聚态物理学中关于拓扑量子物态的研究导致了不少伟大的发现。整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、3He超流等宏观拓扑量子态的发现，以及拓扑相变和拓扑物态的理论研究等，都先后获得了诺贝尔物理学奖。2007年拓扑绝缘体及其相关材料的出现再次为这一研究领域带来了巨大的研究和应用机遇，又有量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等一批重要现象被发现。理论预言的拓扑超导体和马约拉纳费米子也呼之欲出，一些国际顶尖的研究小组正在为最后敲定这些现象并进而构建拓扑量子计算机而展开激烈的竞争。
我自从2008年读博士研究生以来有幸参与了这一研究的历程，先后研究过三维、二维拓扑绝缘体和一维的强自旋轨道耦合半导体及其相应的邻近效应拓扑超导态，发表了若干篇具有国际影响力的文章，包括Science一篇（共同第一作者），Nature一篇（共同作者），Nature communication一篇（第一和通讯作者），Nano Letters 三篇（第一和通讯作者)，Scientific Reports一篇（共同第一作者），Physics Review Research一篇（通讯作者）和 Nanoscale一篇（综述，第一作者）等。下面是几项代表性研究成果。
1. 我是国际上首次观察到量子反常霍尔效应的实验者之一，文章发表在Science 340, 167 (2013)。该工作由薛其坤老师牵头的清华－物理所团队联合完成，我是共同第一作者。在磁性掺杂拓扑绝缘体中，量子化的边缘态不需要磁场便会出现，故称之为量子反常霍尔效应。量子反常霍尔效应是霍尔效应家族中重要的一员，是一类新的具有代表性的拓扑量子现象，其发现推动并一度引领了拓扑量子物态方面的实验研究。该工作发表后短短几年已被引用800余次，并且在诺贝尔奖的官网上被作为支持理论物理学家Duncan Haldane获得2016年物理奖的重要实验辅助依据。2018年度国家自然科学一等奖由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学和中国科学院物理研究所王亚愚、何珂、马旭村和吕力组成的研究团队荣获国家自然科学奖一等奖，获奖项目名称是“量子反常霍尔效应的实验发现”，正是基于本工作。
2. 我在一维InSb纳米线中构建并系统研究了马约拉纳零能模的性质，相关的文章有Nature Communications 9, 4801 (2018)和一份专利，参与的工作还包括Nature 548, 434 (2017)，advanced materials一篇。另有两篇第一作者以及通讯作者的文章正在准备中。利用一维纳米线体系构造拓扑量子器件，寻找并研究马约拉纳零能模，进而构筑拓扑量子比特，是当前拓扑量子计算的研究重点。在InSb纳米线上覆盖铝引入超导态，在施加一定磁场后这个体系能够成为一维拓扑超导体，在两端各形成一个马约拉纳零能模。这样的系统也被称为马约拉纳岛。我在外延生长铝的InSb纳米线中系统研究了电场、磁场等参数对马约拉纳岛的调控，区分了平庸和拓扑的安德烈夫束缚态，找到了更多马约拉纳零能模的证据；发现了2e和1e两种周期的振荡，证明了此类系统可以很好地控制费米子数目的奇偶性，从而可以用于构筑拓扑量子比特的|0>态和|1>态。 我曾工作于这个领域最前沿的课题组Microsoft Station Q - Delft, Leo Kouwenhoven组，是组内研究马约拉纳岛的子方向负责人，主攻利用马约拉纳岛构筑拓扑量子比特的基本单元。同时利用smart walls技术来创造干净的复合系统以及scalable的拓扑量子比特系统，专利已经申请，相关文章正在准备中。
3. 我是国际上首次在三维拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3上实现超导邻近效应的实验者之一。在拓扑绝缘体中引入超导电性是研究拓扑超导和马约拉纳费米子的首要条件。基于拓扑绝缘体材料，我在约瑟夫森结和超导量子干涉器SQUID中观测到很强的超导邻近效应和清晰的干涉现象Scientific Reports 2, 339 (2012)。基于此工作，我进一步利用不连续或者连续的铅膜，在三维拓扑绝缘体上做出了复杂的超导量子干涉器件，探测到了表面态的超导电流，并且发现其与表面态电子的螺旋性相关arXiv:1303.5598，arXiv:1503.00838。
4. 我是首次CVD长出大面积超薄三维拓扑晶体绝缘体SnTe的实验者（Nano Letters 14, 4183 (2014) ），并且首次测到掺In后诱导的超导及其表面态（Nano Letters 15, 3827 (2015) ）。拓扑晶体绝缘体是受到晶体对称保护而非时间反演对称保护的新型拓扑量子材料。我在耶鲁大学做博士后期间生长出了高质量的材料，制作了器件并开展了电子输运测量，较早地研究了拓扑晶体绝缘体表面态的特殊性质。由于在这方面做出了比较系统性的工作，我被邀请写作了这个领域的一篇综述性文章（Nanoscale 6, 14133 (2014) ）。之后还系统研究了掺杂对于费米能级的影响（Advanced Electronic Materials 2, 1600144 (2016) 第一作者）。基于此，我作为主要成员参与了一个美国NSF的项目（40万美元），并且参与了另一个美国能源部DOE的项目（55万美元）。
5. 我还研究了一种有潜力的空穴型拓扑量子材料–GeSi纳米线。这个材料本身的自旋轨道耦合比较弱，但其空穴输运的特点使得多种能带之间的自旋轨道耦合作用增强，使得这种材料能够被用于构造拓扑量子器件。这种不同能带之间的自旋轨道耦合被称为直接自旋轨道耦合，对研究自旋轨道耦合有着重要的意义。我证明了这种直接自旋轨道耦合的存在，并且在GeSi纳米线中引入了超导态，推动了这个材料在拓扑量子计算中的应用（Nano letters 18 (10), 6483-6488 (2018)，Advanced materials 30 (44)。）
综上所述，我在过去的十年中一直致力于研究各种维度的拓扑绝缘体和超导体，在反常量子霍尔效应、马约拉纳零能模和拓扑量子计算的研究方面发表了一些具有影响力的文章，积累了一定的研究经验和基础。今后将继续从事拓扑量子计算的研究，力争在该领域做出开创性成果，推动拓扑量子计算的发展。
代表性论文及专利:
Published as the first author or corresponding author
1) Qu, F. M.*, Yang, F.*, Shen, J.*, Ding, Y., Chen, J., Ji, Z. Q., Liu, G. T., Fan, J., Jing, X. N., Yang, C. L., & Lu, L. (*The first three authors contributed equally to this work.) Strong superconducting proximity effect in Pb-Bi2Te3 hybrid structures. Scientific reports 2, 339 (2012)
2) Chang, C. Z.*, Zhang, J. S.*, Feng, X.*, Shen, J.*, Zhang, Z. C, Guo, M. H., Li, K., Ou, Y. B., Wei, P., Wang, L. L., Ji, Z. Q., Feng, Y., Ji, S. H., Chen, X., Jia, J. F., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. C., He, K.†, Wang, Y. Y.†, Lu, L., Ma, X. C., & Xue, Q. K.† (*The first four authors contributed equally to this work.)Experimental observation of the quantum anomalous hall effect in a magnetic topological insulator. Science 340, 167-170 (2013)- the first paper about quantum anomalous hall effect, citation is 1313 according to google scholar up to Nov. 19st, 2018
3) Shen, J., Jung, Y., Disa, A. S., Walker, F. J., Ahn, C. H., & Cha, J. J. Synthesis of SnTe Nanoplates with {100} and {111} surfaces. Nano letters 14, 4183-4188 (2014).
4) Shen, J., Song, Y., Lee, M. L., & Cha, J. J. Spatially resolved In and As distributions in InGaAs/GaP and InGaAs/GaAs quantum dot systems. Nanotechnology 25, 465702 (2014).
5) Shen, J., & Cha, J. J. Topological crystalline insulator nanostructures. Nanoscale 6, 14133-14140 (2014). (Review)
6) Shen, J., Xie, Y. J., & Cha, J. J. Revealing surface states in In-doped SnTe superconducting nanoplates with low bulk mobility.Nano letters 15, 3827-3832 (2015).
7) Shen, J., Woods, J.M., Xie, Y. J., Morales-Acosta, M. D. & Cha, J.Structural Phase Transition and Carrier Density Tuning in SnSexTe1-x Nanoplates.Advanced Electronic Materials 2, 1600144 (2016).
8) Woods, J. M.*, Shen, J.*, Kumaravadivel, P., Pang, Y., Xie, Y., Pan, G. A., ... & Cha, J. J. (*The first two authors contributed equally to this work.) Suppression of magnetoresistance in thin WTe2 flakes by surface oxidation.ACS applied materials & interfaces 9(27), 23175-23180 (2017).
9) de Vries, F.K.*, Shen, J.*, Skolasinski, R. J., Nowak, M. P., Varjas, D., Wang, L., Wimmer, M., Ridderbos, J., Zwanenburg, F.A., Li, A., Koelling, S., Verheijen, M. A., Bakkers, E. P. A. M. & Kouwenhoven. (Shen is the equal contribution and corresponding author)Spin–Orbit Interaction and Induced Superconductivity in a One-Dimensional Hole GasNano letters 18 (10), 6483–6488 (2018).
10) Shen, J., Heedt, S., Borsoi, F., van Heck, B., … Geresdi, A., Palmstrøm, C. J., Bakkers, E. P. A. M. & Kouwenhoven, L. P. (Shen is the equal contribution and corresponding author)Parity transitions in the superconducting ground state of hybrid InSb–Al Coulomb islands.Nature Communications 9, 4801 (2018).
11) de Vries, F.K., Sol, M.L., Gazibegovic, S., op het Veld, R.L., Balk, S.C., Car, D., Bakkers, E.P., Kouwenhoven, L.P. and Shen, J., Crossed Andreev reflection in InSb flake Josephson junctions. Physical Review Research 1(3), 032031(2019)
Published as co-author
1) Jung, Y., Shen, J., Liu, Y., Woods, J. M., Sun, Y., & Cha, J. J. Metal seed layer thickness-induced transition from vertical to horizontal growth of MoS2 and WS2. Nano letters 12, 6842-6849 (2014).
2) Jung, Y., Shen, J., Sun, Y., & Cha, J. J. Chemically Synthesized Heterostructures of Two-Dimensional Molybdenum/Tungsten-Based Dichalcogenides with Vertically Aligned Layers ACS nano, 8, 9550-9557 (2014).
3) Jung, Y., Shen, J., & Cha, J. J. Surface effects on electronic transport of 2D chalcogenide thin films and nanostructures.Nano Convergence 1, 18 (2014). (Review)- recognized as a highly contributed paper by Nano Convergence in 2015
4) Qu, F., Yang, F., Chen, J., Shen, J., Ding, Y., Lu, Lu, J. B., Song, Y. J., Yang, H. X., Liu, G. T., Fan, J., Li, Y. Q., Ji, Z. Q., Yang, C. L. & Lu, L. Aharonov-Casher effect in Bi2Se3 square-ring interferometers. Physical review letters 107, 016802 (2011)
5) Yang, F., Qu, F., Shen, J., Ding, Y., Chen, J., Ji, Z. Q., Liu, G. T., Fan, J., Yang, C. L., Fu, L. & Lu, L. Proximity-effect-induced superconducting phase in the topological insulator Bi2Se3. Physical Review B 86, 134504 (2012).
6) Yang, F., Ding, Y., Qu, F., Shen, J., Chen, J., Wei, Z. C., Ji, Z. Q., Liu, G. T., Fan, J., Yang, C. L., Xiang, T. & Lu, L. Proximity effect at superconducting Sn- Bi2Se3 interface. Physical Review B 85, 104508 (2012).
7) Yu, L., Jung, D., Law, S., Shen, J.=12.0000pt, Cha, J. J., Lee, M. L., & Wasserman, D. Controlling quantum dot energies using submonolayer bandstructure engineering. Applied Physics Letters 105, 081103 (2014).
8) Zhu, X., Morales-Acosta, M.D., Shen, J., Walker, F.J., Cha, J. J., & Altman, E.I. Growth, structure, and electronic properties of nonpolar thin films on a polar substrate: Cr2O3 on ZnO (0001) and ZnO (000 1¯). Physical Review B 92, 165414 (2015).
9) Gazibegovic, S., Car, D., Zhang, Z., Balk, S. K, Logan, J. A., de Moor, M. W. A., Cassidy, M. C., Schmits, R., Xu, D., Wang, G. Z., Krogstrup, P., het Veld, R. L. M. O., Zuo, K., Vos, Y., Shen, J., Bouman, D., Shojaei, B., Pennachio, D., Lee, J. S., van Veldhoven, P. J., Koelling, S., Verheijen, M. A., Kouwenhoven, L. P., Palmstrøm, C. J. & Bakkers, E. P. A. M.Epitaxy of advanced nanowire quantum devices.Nature 548, 434 (2017)
10) Ridderbos, J., Brauns, M., Shen, J., de Vries, F. K., Li, A., Erik PAM Bakkers, E. P. A. M., Brinkman, A., Zwanenburg, F. A.Josephson Effect in a Few〩ole Quantum Dot Advanced Materials 30, 1802257 (2018)
11) Ma, M., Liu, K., Shen, J., Kas, R., & Smith, W. A.In-situ Fabrication and Reactivation of Highly Selective and Stable Ag Catalysts for Electrochemical CO2 Conversion.ACS Energy Letters, 3 (6), 1301–1306 (2018)
12) Gazibegovic, S., Badawy, G., Buckers, T. L. J., Leubner, P., Shen, J., de Vries, F. K., Koelling, S., Kouwenhoven, L. P., Verheijen, M. A., & Bakkers, E. P. A. M. Bottom︰p Grown 2D InSb Nanostructures.Advanced Materials 31, 1808181 (2019)
目前的研究课题及展望:
1. 基于强自旋轨道耦合纳米线的拓扑量子器件
2. 基于铁磁-拓扑超导材料的自旋操控的量子器件
招硕士、博士、博士后、研究助理 |
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