香港大学全奖博士招生 | Prof. Shen

导师简介

如果你想申请香港大学 物理系博士，那今天这期文章解析可能对你有用！今天Mason学长为大家详细解析香港大学的Prof.Shen的研究领域和代表文章，同时，我们也推出了新的内容“科研想法&开题立意”，为同学们的科研规划提供一些参考，并且会对如何申请该导师提出实用的建议！方便大家进行套磁！后续我们也将陆续解析其他大学和专业的导师，欢迎大家关注！

作为香港大学物理系的教授,教授是当今凝聚态物理和数学物理领域的重要学者。教授以其在半导体自旋电子学、量子磁学、过渡金属氧化物轨道物理以及凝聚态物质新颖量子态等方面的研究工作而闻名。教授于复旦大学获得理学学士、硕士和博士学位，随后在中国高等科学技术中心担任博士后研究员（1992-1995年），在德国马普复杂系统物理研究所担任洪堡学者（1995-1997年），在日本东京工业大学担任JSPS研究员（1997年）。自1997年起加入香港大学物理系，2007年7月起担任教授职务。

教授在凝聚态物理领域做出了杰出贡献，特别是他对拓扑Anderson绝缘体、自旋横向力、共振自旋霍尔效应的预测，以及对庞磁阻(CMR)材料中相分离理论的建立。

研究领域

教授的主要研究领域涵盖数学物理和凝聚态理论两大方向。具体而言，他的研究兴趣集中在以下几个核心领域：

1. 拓扑绝缘体与拓扑相变：教授在拓扑绝缘体领域的研究处于国际前沿，他提出了拓扑Anderson绝缘体理论，这是一个具有开创性意义的理论贡献。拓扑绝缘体作为一种新发现的量子物质态，在体相呈绝缘性质，但在表面或边界处具有金属性导电态。
2. 半导体自旋电子学：教授在自旋输运理论方面有重要贡献，特别是在自旋霍尔效应和自旋轨道耦合系统的研究上。这一领域对于未来的自旋电子器件和量子计算技术具有重要意义。
3. 量子磁学与强关联电子系统：教授在过渡金属氧化物的轨道物理和量子磁学方面有深入研究，特别关注强关联电子系统中的新奇量子相。
4. Dirac费米子与相对论性凝聚态物理：教授利用修正的Dirac方程来统一描述各种维度的拓扑绝缘体，这一方法为理解拓扑材料提供了重要的理论框架。

研究分析

1. "Topological Anderson Insulator"(Physical Review Letters)

这篇发表在Physical Review Letters上的开创性论文预测了一种意料之外的新颖量子相——"拓扑Anderson绝缘体"。该研究调查了无序在量子自旋霍尔效应背景下的作用，发现通过在二维金属中引入杂质，无序不仅导致金属-绝缘体转变，而且从根本上负责创造扩展的边缘态。这一发现挑战了传统观念，表明无序在某些情况下可以创造而非破坏拓扑性质。该工作确定了拓扑Anderson绝缘体的相图并概述了其实验后果，为后续大量相关研究奠定了基础，目前该论文被引用超过1000次，是该领域的里程碑式工作。

2. "Finite-Temperature Conductivity and Magnetoconductivity of Topological Insulators"

(Physical Review Letters)

这篇重要论文解决了拓扑绝缘体电子输运实验中的一个重要难题。研究通过同时考虑电子-电子相互作用和量子干涉，提出了无质量和有质量Dirac费米子的电导率公式作为磁场和温度的函数。该公式调和了实验中观察到的看似矛盾的现象：磁导率中的负尖峰（弱反局域化特征）与电导率随温度降低的对数下降（弱局域化特征）。该理论明确澄清了电导率的温度依赖性主要由相互作用主导，而磁导率主要由量子干涉贡献，为定量研究拓扑绝缘体中的输运铺平了道路。

3."Negative magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2"

(Nature Communications)

这篇发表在Nature Communications上的论文报告了在Dirac半金属Cd3As2中观察到的负磁阻现象，这是手征异常的重要实验证据。研究通过精确的磁输运测量，在平行磁场配置下观察到显著的负磁阻，验证了Weyl费米子的手征异常效应在凝聚态系统中的实现。该工作不仅为理解拓扑半金属的输运性质提供了重要实验依据，也为探索手征异常在凝聚态物理中的表现形式开辟了新的研究方向。

4. "Competition between Weak Localization and Antilocalization in Topological Surface States"

(Physical Review Letters)

这篇论文深入研究了拓扑表面态中弱局域化和反局域化之间的竞争机制。研究揭示了拓扑绝缘体表面态独特的量子输运性质，特别是在不同散射机制下弱局域化和弱反局域化现象的转换条件。该工作为理解拓扑保护表面态的输运性质提供了重要的理论基础，并对实验中观察到的磁导率行为给出了清晰的物理解释，对后续拓扑绝缘体的实验研究具有重要指导意义。

5. "Dirac fermions and topological phases in magnetic topological insulator films"

(SciPost Physics, 2024)

这篇最新发表的论文研究了磁性拓扑绝缘体薄膜中的Dirac费米子和拓扑相。研究探索了磁性掺杂对拓扑绝缘体薄膜电子结构和拓扑性质的影响，特别关注磁性如何调控表面态的能带结构和拓扑性质。该工作对于理解磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和相关的拓扑相变具有重要意义，为设计基于拓扑材料的自旋电子器件提供了理论指导。

6. "Topological superconducting states in monolayer FeSe/SrTiO3"

(Physical Review B)

这篇论文研究了单层FeSe/SrTiO3体系中的拓扑超导态。研究通过理论计算和分析，预测了该体系可能存在的拓扑超导相，并讨论了其独特的电子性质和潜在的Majorana费米子激发。该工作将拓扑绝缘体的概念扩展到超导体系，为寻找和理解拓扑超导体提供了重要的理论基础，对于未来拓扑量子计算的实现具有重要意义。

项目分析

1. 拓扑物质与冷原子系统的理论研究项目

该项目结合了凝聚态系统拓扑序研究（KT Law、TK Ng和SQ Shen）和冷原子研究（SZ Zhang和Q Zhou）的现有优势，在香港建立了一个强大的理论研究团队，探索这一新兴的激动人心的研究领域。项目的核心在于，自旋轨道耦合是构建许多类型拓扑物质的基础，而冷原子实验的巨大灵活性为创造许多在凝聚态系统中难以实现的拓扑态提供了可能性。该项目不仅推进了拓扑物理的基础理论研究，也为实验实现新型拓扑量子态提供了理论指导，对量子信息和量子计算领域具有重要影响。

2. 二维量子摩尔材料的多体物理研究项目

该项目专注于新兴的二维量子摩尔材料，如扭转双层石墨烯和扭转过渡金属二硫族化合物，这些材料是未来电子学的最佳候选者之一。在这些摩尔材料中，拓扑平带降低了动能，使得相互作用变得主导，可以诱导出如关联绝缘体和超导性等奇异物质相。项目将理论、计算和实验努力结合在一起，从真正的量子多体角度理解量子摩尔材料中拓扑性和关联物理的相互作用。该研究旨在开发量子摩尔材料中的多体范式，带来新的基础物理发现，并通过新一代量子材料造福社会。

3. 二维材料及其异质结构的综合研究项目

在这个更新申请中，研究团队将基于在TMD（过渡金属二硫族化合物）研究中的优势和过去成就，扩展对其他2D材料如单层磷、(Ga,In)Se和磁性2D薄膜的研究。具体而言，将通过结合理论和实验的协调努力来制备高质量的2D样品、它们的混合和异质结构，用于表征新颖的电子、磁性和光学性质以及新物理。该项目还将通过制造传统或新概念器件来探索这些2D材料和结构的应用潜力，测试它们的性能和功能。该团队致力于继续产生有影响力的研究成果，为2D研究在基础物理和应用方面的发展做出贡献。

研究想法

1. 拓扑量子材料与机器学习交叉领域

• 基于机器学习的拓扑相预测与材料设计利用深度学习和神经网络技术开发新的算法，用于预测材料的拓扑性质和设计具有特定拓扑特征的新材料。该研究可以结合第一性原理计算和拓扑不变量分析，建立从原子结构到拓扑性质的映射关系。这一方向不仅具有重要的理论意义，也可能加速新型拓扑材料的发现过程。
• 人工智能辅助的拓扑相变识别与分类开发基于机器学习的方法来自动识别和分类不同类型的拓扑相变，特别是在复杂的多体系统中。该研究可以处理传统方法难以分析的大规模数据，为理解拓扑相变的微观机制提供新的见解。

2. 非传统拓扑态与量子几何

• 高阶拓扑绝缘体中的量子几何效应研究高阶拓扑绝缘体中Berry曲率、量子度规等几何量对输运性质的影响。重点关注角态和铰链态的几何性质，以及它们与体拓扑不变量的关系。该研究有望揭示高阶拓扑态的新物理机制。
• 分数拓扑绝缘体的理论构造与性质研究探索在强关联电子系统中实现分数拓扑绝缘体的理论可能性，研究其独特的分数化激发和非阿贝尔统计性质。该研究将拓扑绝缘体的概念扩展到强关联系统，可能发现新的拓扑量子态。

3. 拓扑材料的动力学与非平衡态

• Floquet拓扑绝缘体的动态调控研究周期性光驱动下拓扑材料的动态拓扑相变，开发通过光场调控拓扑性质的新方法。重点关注Floquet工程在拓扑绝缘体中的应用，以及光诱导拓扑相变的动力学过程。该研究为实现可调控的拓扑器件提供理论基础。
• 拓扑材料中的非平衡输运与量子相干研究远离平衡态的拓扑材料中量子输运的新机制，特别关注量子相干效应在非平衡条件下的演化。该研究可能揭示拓扑保护在非平衡态下的新特征，对理解拓扑器件的实际工作条件具有重要意义。

4. 拓扑材料与量子信息技术

• 拓扑量子比特的容错机制研究深入研究基于拓扑材料的量子比特的退相干机制和容错方案，特别关注Majorana费米子和非阿贝尔任意子在量子计算中的应用。该研究对实现真正的拓扑量子计算具有重要意义。
• 拓扑材料中的量子纠缠与量子传输研究拓扑材料中量子纠缠的产生、传播和操控机制，探索利用拓扑保护实现长程量子纠缠传输的可能性。该研究为构建基于拓扑材料的量子网络提供理论基础。

5. 多维度拓扑材料系统

• 四维拓扑绝缘体的理论构造与模拟实现探索四维空间中拓扑绝缘体的理论性质，并研究在低维系统中模拟四维拓扑效应的方法。该研究可能揭示更高维度拓扑的新物理，并为实验实现提供指导。
• 拓扑超材料的设计与性质研究设计具有特定拓扑性质的人工超材料，研究其独特的波动传播特性和新颖的物理现象。该研究将拓扑概念扩展到经典波系统，为实现拓扑声学、拓扑光学器件提供理论基础。

申请建议

1. 学术背景准备

强化理论物理基础 申请教授的博士候选人应具备扎实的理论物理基础，特别需要掌握以下核心知识：

• 量子力学高级理论，包括二次量化、多体理论基础
• 固体物理学，重点掌握能带理论、电子-声子相互作用
• 统计力学与热力学，特别是低温物理和相变理论
• 数学物理方法，包括群论、拓扑学基础和微分几何
• 建议在本科或硕士阶段系统学习Ashcroft & Mermin的《Solid State Physics》、Kittel的《Introduction to Solid State Physics》以及更高级的教材如Mahan的《Many-Particle Physics》。

拓扑物理专业知识储备

• 深入理解拓扑绝缘体的基本概念和理论框架
• 掌握Berry相位、Chern数等拓扑不变量的计算方法
• 熟悉Dirac方程在凝聚态物理中的应用
• 了解自旋轨道耦合和自旋霍尔效应的基本原理
• 建议研读教授的专著《Topological Insulators: Dirac Equation in Condensed Matters》，这不仅有助于理解其研究理念，也能展现对其工作的重视。

2. 研究经验积累

理论计算技能发展

• 熟练掌握VASP、Quantum ESPRESSO等第一性原理计算软件
• 学习紧束缚模型和有效哈密顿量的构造方法
• 掌握WannierTools、Z2Pack等拓扑材料专用计算工具
• 学习Monte Carlo、精确对角化等多体计算方法

数值模拟能力

• 熟练使用Python、Matlab、Mathematica等科学计算工具
• 学习量子输运计算的数值方法
• 掌握有限元分析和数值求解偏微分方程的技能

编程与数据分析

• 具备扎实的编程基础，特别是Python和C++
• 学习大数据处理和机器学习基础
• 掌握科学可视化和论文图表制作技能

3. 申请材料优化策略

研究计划书撰写 申请材料中的研究计划书是关键环节，需要：

• 清晰阐述对拓扑凝聚态物理的理解和兴趣来源
• 提出具体的研究问题，最好能与教授的研究方向有交集但又有创新点
• 展示对该领域最新进展的了解和对未来发展方向的思考
• 体现解决问题的方法论和可行性分析
• 建议研究计划围绕拓扑Anderson绝缘体的拓展研究、新型拓扑相的理论预测、或者拓扑材料的器件应用等方向展开。

个人陈述策略

• 突出自己在理论物理方面的天赋和兴趣
• 详细描述相关研究经历，特别是独立研究能力的体现
• 阐述选择教授的特定理由，展现对其研究工作的深入了解
• 表达明确的学术抱负和职业规划

推荐信安排

• 至少一封来自在拓扑物理或凝聚态理论领域有建树的教授
• 重点突出申请者的研究能力、创新思维和学术潜力

4. 面试准备与学术交流

学术表达能力

• 准备一个15-20分钟的学术报告，介绍自己最重要的研究工作
• 练习用英文清晰表达复杂的物理概念
• 准备回答关于拓扑绝缘体基本概念的问题
• 能够讨论教授的代表性工作及其意义

批判性思维展示

• 准备讨论当前拓扑物理领域的热点问题和挑战
• 能够提出自己对未来研究方向的见解
• 展示发现问题和解决问题的能力
• 表现出对学术前沿的敏感度和理解力

博士背景

Felix，美国top10学院物理学系博士生，专注于量子计算和凝聚态物理的交叉研究。擅长运用量子场论和拓扑量子计算方法，探索拓扑绝缘体和超导体中的新奇量子态。在研究Majorana费米子在量子计算中的应用方面取得重要突破。曾获美国物理学会最佳学生论文奖，研究成果发表于《Nature Physics》和《Physical Review Letters》等顶级期刊。