科技公园文/胡月
现代科技发展的原动力来自于物理学和材料学上的重大突破。例如，磁悬浮这一名词变成了我们耳熟能详的一种非常吸睛的科学现象。透过磁悬浮这一科学现象，折射出来的是超导效应和现代超导材料发展的巨大光芒，超导材料所体现出的一些奇异特性也为接下来人类科技的发展带来了新思路。不仅是科技研发方面，超导体在现实应用方面也发挥了大作用，有望带给人类更多的好处。例如增强发电效率、降低电力传输损耗、提高电力储存效率、成为高性能芯片的重要材料、甚至于改善人们的出行交通工具。因此，超导材料等高尖端科学技术的发展成为了世界各国科学家聚焦的热点。在中国的西部，来自陕西师范大学的潘明虎教授也在超导材料、二维纳米材料等低维量子材料领域做出了重要贡献。
2022年，潘明虎教授与北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、谢心澄院士等合作，直接观测到了拓扑材料HfTe5原子缺陷处具有离散标度不变性的准束缚态。该研究成果以“拓扑材料原子缺陷处具有离散标度不变性的准束缚态”为题发表在国际权威学术期刊《美国科学院院刊》。超重原子在强库仑相互作用下产生的超临界原子坍缩现象是相对论量子力学的一个重要预测。由于在自然界尚未发现满足超临界条件的超重原子，这一现象一直未能得到实验的直接证实。潘明虎教授与合作科研人员的这一发现表明拓扑材料体系可作为研究超临界原子坍缩现象的全新研究平台。
2023年，潘明虎教授与中科院苏州纳米所、美国犹他大学等单位合作，在二维分子拓扑材料领域取得重大突破，在基于氢键有机框架中发现清晰拓扑平带等现象，首次从实验上证实二维有机拓扑材料的存在。该研究成果以“二维氢键分子有机框架的生长和笼目晶格中拓扑平带探测”为题发表在国际权威学术期刊《物理学评论快报》，并评为当期编辑推荐文章。拓扑平带体系是一种无能带色散的强相互作用的量子系统，平带中完全淬灭的电子动能增强了电子-电子相互作用，导致了一系列理论上预测的多体量子现象。然而实现二维分子拓扑平带材料的制备和观测一直具有巨大的挑战性。潘明虎教授和合作者制备出大范围均匀有序的二维氢键有机框架自组装单层结构，并直接观察到整个布里渊区上的电子拓扑平带，其来自一个“隐藏”的呼吸式电子笼目晶格。这一工作首次直接观测到二维分子框架中的非平庸拓扑平带，并为探索拓扑平带等多体量子物态铺平了道路。
1992年，潘明虎成功考入了湖南大学应用物理系。在大学期间，湖南大学刘全慧老师对物理知识的深入浅出的讲解和生动活跃的讨论，极大地激发了潘明虎的物理学习兴趣。1996年，潘明虎从湖南大学应用物理系毕业获得学士学位后，并没有停下学习的脚步，而是继续选择向上攀岩，来到了南京大学物理系继续物理研究。在这里，潘明虎在其导师鹿牧教授的指引下，在凝聚态物理专业进一步地深造。2001年，在南京大学博士毕业后，潘明虎来到了中科院物理所继续从事博士后研究。在这里，潘明虎深受其指导导师薛其坤院士的影响与激励。
“薛老师是一个大师级专家，知识非常广博。在薛老师课题组工作的3年期间，令我终身难忘并受益颇多的是他做科研的拼命精神。我跟着他做实验的时候，经常从早上8点多一直工作到凌晨12点半左右。”每当回忆起在中国科学院物理所的经历，潘明虎总是历历在目，记忆尤深。每次实验结束，薛其坤老师还要到实验室检查他们的工作情况，讨论实验问题，到凌晨1点多，他们才各自骑着自行车回去睡觉，这基本上是潘明虎在研究所3年时间里的常态。薛其坤院士的科研精神，对潘明虎产生了极大的言传身教的作用，为科研奉献的理念也深深地烙印在了他的心里。
2004年，潘明虎选择远赴美国田纳西大学，在那里汲取更多的前沿知识，掌握尖端技术，继续从事博士后研究。潘明虎在美国的导师—美国科学院院士E. W. Plummer同样是凝聚态物理学的顶尖专家和创始人之一，科研上的要求极其严格。美国导师用严谨的科研态度带领潘明虎进行了一个个研究，让他在科研上受到了近乎严苛的训练。上天不会辜负每一个用心的人，经过近十年的学习与沉淀，潘明虎在2006年来到了美国橡树岭国家实验室，成为了一名助理研究员，而后又很快晋升为研究员。
在国外时，潘明虎教授从零开始组建高分辨扫描隧道显微镜实验室，从事强关联过渡金属氧化物和纳米材料的研究，并与世界顶级物理学家和材料学家建立了长期的科研合作关系。在短短几年的时间内，潘明虎团队创建了超高真空高分辨扫描隧道显微镜实验室，并配备两台扫描隧道显微镜设备和多台超高真空生长设备。同时，潘明虎教授获邀参加国际会议进行学术演讲和交流，曾参与多个美国能源部(DOE)资助的项目，并作为项目的负责人和主要负责人。曾为美国物理协会(APS)，美国真空协会(AVS)，美国化学协会(ACS)，材料研究协会(MRS)和美国科学促进会 (AAAS)会员。
2015年，已在美国从事科研十年、拥有独立科研团队和研究基金并组建了实验室的潘明虎毅然回国任教。同年一月，潘明虎回国后来到华中科技大学物理学院任教授一职，聚焦采用超高真空极低温强磁场扫描隧道显微镜研究关联电子材料，并在华中科技大学创建先进的高分辨扫描隧道显微镜技术平台和紧密的国际交流。
“中国西部发展的根本问题，是教育的问题，是教育资源不平衡的问题。要发展西部，就要让西部的教育和科研资源跟上去。”潘明虎教授希望将先进的科研技术和理念带到中国的西部去。“或许自己一个人的能力很小，但也要尽力去拉动、打破这一不平衡的状态”。在潘明虎看来，科研工作的创新不仅需要个人发挥科研能力，更要发挥团队的力量，不仅需要国内科研单位的紧密合作，同时也需要始终保持与国际的接轨，推进我国科教事业的发展。
新型超导材料 延展科技新潮
20世纪初，物理学家发明了各种不同的实验方法，通过将元素冷却到接近零温度，并开始研究各种元素的导电能力，这种能力在如此恶劣的条件下会发生某些变化。通过多次实验，他们发现了铅和汞等基本元素可以导电，并且在某些温度下没有电阻。随后，物理学家们在从碳纳米管到陶瓷的数千种材料中观察到了相同的活性。现在，这种物质状态被认为是非同寻常的第四类元素，称为超导体。
半导体物理和硅基材料的研究催生了上一次工业革命，大大推进了计算机产业和信息产业的腾飞，对人类的科技进步产生了无法估量的重大影响。如今，超导体、新型二维碳基材料—石墨烯，同样在国际上催生了一股研究低维材料的热潮。
潘明虎教授长年深扎石墨烯等二维材料、强关联过渡金属氧化物和纳米、超导材料的研究，在材料制备与物理特性研究、扫描隧道显微镜和扫描隧道谱的设备设计搭建、超高真空技术、超高真空薄膜沉积和分子束外延以及其他超高真空沉积技术、磁特性测量和表面磁光科尔效应等领域完成了多项发明和创新。
石墨烯是只有一个原子层厚度的二维材料，不仅是电荷和热的导体，还拥有很高的载流子迁移率和令人吃惊的物理化学性能，为凝聚态物理研究提供了丰富的物理问题。然而，尽管具有许多优越的性能，但作为一种二维材料，石墨烯是零隙半导体，这使得其在常规的数字逻辑电路应用上还存在着不小的缺陷。
潘明虎教授面对这些问题，采用常压化学气相沉积法制备的高质量的单层氮掺杂的石墨烯，发现和确认了一种独特的双氮掺杂构型，并在国际上首次展示了通过增强拉曼散射信号，氮掺杂石墨烯可以用来有效地探测有机分子。同时，潘明虎教授还首次成功观察和测量了石墨烯纳米带的边缘结构和边缘电子态，并在实验和理论上证实了边缘上的缺陷结构会引起边缘电子态的自旋极化。之后，在化学气相沉积法制备的石墨烯中，潘明虎引入化学吸附的硼原子，可以诱导产生局域自旋磁矩，并通过扫描隧道显微镜，在原子尺度上测量出局域自旋态，观察到了局域自旋在石墨烯中的分布、叠加等现象。
面对寻找能够替代石墨烯的其它二维材料在纳米电子学和自旋电子学中的应用的这一问题，潘明虎及其团队经过多年研究，通过分子束外延技术生长多种过渡金属化合物薄膜，并系统引入和控制各种掺杂(磁性或非磁性)，从而改变材料的物理性能。同时，结合薄膜材料的生长与扫描隧道显微镜的微观测量以及原位输运测量，来研究新型的过渡金属化合物材料。目前，该项研究已经取得了突破性进展，为未来的先进电子器件、自旋电子学或新型储能材料的应用打下坚实的基础。
此外，潘明虎在华中科技大学物理学院任教期间，获批了国家自然科学基金重大研究计划“碳基能源转化利用的催化科学”的项目，取得了非常显著的成果。针对单原子金属催化剂具有超高的表面能而容易发生团聚从而降低催化活性的问题，潘明虎团队提出，利用新型二维材料和特殊的有机框架，将具有催化活性的金属原子分散开来，从而可以制备稳定的单原子催化剂。
2022年，潘明虎教授和清华大学、南方科技大学等六家高校和科研单位合作，共同申报科技部国家重点研发计划“物态调控”专项中的“新型二维界面非常规超导体系的构筑、调控及其机理研究”重大项目正式获批立项。潘明虎教授为第一课题“新型二维超导体的界面构筑与调控”负责人，着重探索由不同界面构筑的新型二维界面超导体及异质结体系。
潘明虎教授虽然已经取得了一些的成就，但他始终怀着一颗赤子之心，将最新的科技带到西部去，始终照在一线最前沿。
