职称： 杰出教授
联系电话： 010-81383385
学系： 计算物理系
E-mail： ygyao@bit.edu.cn
通讯地址： 北京市房山区良乡高教园区良乡东路9号院北京理工大学（良乡校区）南区理学楼A416

研究方向为凝聚态物理、计算物理和材料物理，具体有：
（1）发展材料物性的量子理论和先进计算方法，研究材料中反常霍尔效应、自旋霍尔效应、轨道霍尔效应、平面霍尔效应、热电效应、磁光效应、磁阻、磁矩以及拓扑等量子新奇物性，特别关注自旋轨道耦合体系的电子结构、贝里相位与量子物性之间的关系；在此基础上开发和设计相应的高性能并行计算软件包。
（2）结合理论设计、计算模拟和实验探索，研究各种新型量子功能材料（如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体、二维层状量子材料等）、高能密度材料及其相关物性；通过研究光与物质的相互作用机理，设计出高效光能源量子转换材料，以及具有新奇光电效应的新材料。
（3）与实验紧密结合，瞄准量子功能材料的前沿及应用，设计量子功能材料并探索其新奇物性， 开发新一代元器件（如红外光电器件、新能源器件、传感和测量器件、存储计算器件、通讯器件、自旋电子器件、光电池和光催化器件等）。
具体研究方向还可参考：
实验室介绍：http://www.qfmda.com
文章列表： http://www.researcherid.com/rid/A-8411-2012

1995 – 1999 中国科学院力学研究所，力学，博士
1992 –1995 中国科学院上海光学和精密机械研究所，光学，硕士
1988 – 1992 南开大学物理系，物理学，学士

2011-至今 北京理工大学物理学院，教授
2009-2010 美国Texas大学Austin 分校，访问学者
2007-2011 中国科学院物理研究所，研究员
2004-2007 中国科学院物理研究所，副研究员
2001-2004 中国科学院物理研究所，助理研究员
2001-2003 美国Texas大学Austin 分校，博士后
1999-2001 中国科学院物理研究所，博士后

学术兼职
中国物理学会凝聚态计算专业委员会委员、中国物理学会科普工作委员会委员、中国材料研究学会计算材料学分会副秘书长、中国核物理计算物理学会理事等；Europe Physical Journal B、SPIN，Scientific Reports、International Journal of Modern Physics B、Modern Physics Letters B、物理等期刊编委；先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任。（含曾任）
获奖情况
2011年获得中国科学院杰出科技成就奖；2012年获得国家杰出青年基金资助、入选长江学者特聘教授计划；2014年入选科技部中青年科技创新领军人才计划；2016年入选国家万人计划中的科技创新领军人才计划；2017年获北京市高等教育教学成果二等奖；2018年获国家科学技术奖自然科学奖二等奖。2020年享受国务院政府特殊津贴，2018～2021年入选科睿唯安高被引科学家名单。
学术贡献
迄今共发表SCI论文240余篇【包括Nature（1篇）、 Phys. Rev. Lett.（26篇），Phys. Rev. B/A/E/M/R(100余篇)，Nature子刊（14篇），其它影响因子>10的顶级期刊论文（～20篇）】，在反常输运、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等领域的研究成果具有重要国际影响并被同行包括多位诺贝尔奖获得者广泛引用，共被SCI引用18000余次，目前每年引用约2500次，单篇最高引用1800余次，10篇论文引用超过500次，H指数59。曾在美国 APS、MRS年会等国际重要会议多次作邀请报告。主持或承担过多项国家基金委面上项目、国家基金委重点项目、国家基金委国际(地区)合作与交流项目、国家重点研发计划、和国家重点基础研究发展计划(973计划)等项目。
针对材料中贝里相位效应相关的关键科学问题，率先发展了反常输运物理量与拓扑不变量的第一性原理计算方法，关于反常输运的部分成果被写进了教科书，是该领域开拓者之一；引领了硅烯等二维拓扑材料的研究，所提出的理论模型被冠名；完成了三维晶体中准粒子的分类并建立了百科，为搜寻和实现相关演生粒子提供理论指导。这些原创成果加深了人们对真实复杂材料中新奇量子现象的理解，加速了新量子态材料的发现，推动了凝聚态和计算物理相关领域的发展。具体简述如下：
（1）反常输运研究：
反常霍尔效应具有广泛应用，是探究和表征铁磁材料中巡游电子输运特性的重要手段。然而，自1881年霍尔发现反常霍尔效应以来，人们对反常霍尔效应的理论机制和物理起源一直争论不休，主要原因在于无法建立起完整的理论体系对实验结果做出定量解释，甚至不能定性理解反常霍尔效应引起的相关物理现象，例如“为什么典型铁磁材料Fe的反常霍尔电导率是正值，而Ni的反常霍尔电导率是负值？”争论的焦点集中在产生反常霍尔效应的机制是内禀的还是外在的。过去，人们通常认为反常霍尔效应是由外在散射机制主导，而忽略了内禀贝里相位机制的影响。
姚裕贵等率先发展了计算反常霍尔电导率的第一性原理方法，定量地研究了反常霍尔效应中基于贝里相位的内禀机制，指出了该内禀机制的重要性。该工作解决了长期悬而未决的科学难题即“内禀机制贡献在反常霍尔效应中是否重要”，纠正了此前“外在机制占主导，内禀机制不重要”的看法，实质性地推动了反常霍尔效应研究的发展[PRL 92, 037204 (2004), SCI引用577次]。该代表性工作被著名计算物理学家、美国科学院院士David Vanderbilt教授在2006年Rahman奖（美国物理学会计算物理最高奖）的获奖报告中两次引用并高度评价，称之为贝里相位应用到固体材料电子结构理论中的重要进展；2012年Vanderbilt教授在综述文章[Rev. Mod. Phys. 84, 1419 (2012)]中再次指出姚裕贵关于贝里曲率的第一性原理计算是开创性的工作，并且直接引用了该代表性论文的一幅原图。此外，在另一项工作[PRB 74, 195118 (2006)]中，Vanderbilt教授研究组采用姚裕贵的方案结合全新Wannier插值技术重复了该工作。著名物理学家日本东京大学N. Nagaosa教授等人在关于反常霍尔效应的Rev. Mod. Phys.综述文章中给予该工作高度评价和充分肯定[Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)]，并直接引用该工作中的两幅原图。上述工作还被德国和美国两个实验组分别独立证实，并在摘要中重点引用[PRB 84, 220504(R) (2011), PRB 73, 224435 (2006)]。姚裕贵进一步与美国田纳西大学Weitering教授实验组合作，提出了反常霍尔效应内禀和外在部分的分解方法，并给出反常霍尔效应中内禀电导率和磁化强度成线性关系的理论解释及定量计算方法[PRL 96, 037204 (2006) , SCI引用144次]，该工作收录于 Wiley 出版社出版的 Michael P. Marder教授的《Condensed Matter Physics》教科书中第二版第17章 504页。最近，我们还首次构筑“异维超结构”并发现了面内反常霍尔效应[Nature 609,46 (2022)；arXiv:2208.14251]。
在此基础上，姚裕贵等发展了计算自旋霍尔电导率的第一性原理方法，系统地研究了半导体和简单金属的自旋霍尔电导率[PRL 95, 156601 (2005)和PRL 94, 226601 (2005), SCI引用依次为119次和115次]。同时提出了石墨烯中通过吸附铁原子或者将其放在铁磁绝缘体上实现量子反常霍尔效应的全新方案[PRB 82, 161414 (2010), SCI引用510次；PRB 84，195444 (2011), SCI引用195次]，该工作是最早的几个理论方案之一，激发了诸多后续理论和实验研究。进一步，姚裕贵等首先指出通过外场调控可在硅烯中实现谷极化的量子反常霍尔效应，即同时具有量子化的谷霍尔效应和反常霍尔效应[PRL 112, 106802 (2014)，SCI引用265次]。
（2）拓扑绝缘体研究
二维拓扑绝缘体的研究：
在实验上实现的首个二维拓扑绝缘体体系是 HgTe/CdTe 量子阱，但是该体系结构复杂、制备困难且仅能在极低温度条件下工作，极大地限制其器件应用。为了在更高温度下实现量子自旋霍尔效应，同时应用该效应设计低功耗的拓扑量子器件，寻找合适的简单二维体系迫在眉睫。为此，姚裕贵等另辟蹊径，率先提出了在简单二维材料中实现量子自旋霍尔效应的方案，取得了一系列重要成果。
姚裕贵等在国际上首次指出类石墨烯体系－硅烯、锗烯、锡烯是二维拓扑绝缘体。相关研究成果自2011年发表以来[PRL 107, 076802 (2011), PRB 84, 195430 (2011)。SCI引用分别达到1808次和1018次]具有很高的国际影响力，前者目前是该领域公开发表论文中引用第二高被引的文章。World Scientific 出版社出版的《Quantum Hall Effects》专著第三版第21章收录了该工作，并进行了重点引用；引用最高的是2012年发表的实验工作[PRL 108, 155501 (2012)], 其中也重点引用了该代表成果。文中所提出的理论模型成为该领域很多理论研究工作出发的最重要基本公式，有超过250篇理论论文第一个公式即为该模型【不完全统计】，该模型也被文献称为“LYFE模型”，其中L是刘铖铖，Y是姚裕贵，F是冯万祥，E是日本东京大学教授M. Ezawa。另外，姚裕贵等还预测了硅烯中谷极化的量子反常霍尔效应[PRL 112, 106802 (2014)，SCI引用265次]和拓扑高温超导[PRL 111, 066804 (2013)，SCI引用143次]等新奇的量子物理现象。该系列工作引发了类石墨烯等二维量子材料的实验研究热潮。与石墨烯相比，硅烯等具有强的自旋轨道耦合作用，能隙易调，更易谷极化，与当代成熟的硅基半导体工艺兼容等优势，预计在未来的自旋电子学和纳米电子学器件等领域具有广泛的应用前景。2012年姚裕贵和实验者合作在金属银衬底上合成了硅烯[PRL 109, 056804 (2012); Nano Lett. 12, 3507 (2012)。SCI引用分别为613，1039次]，是世界上最早合成硅烯的三个实验组之一。硅烯工作还可详见我们的综述[Prog. Mater. Sci. 83, 241(2016), SCI引用551次]。
此外，姚裕贵等还指出量子自旋霍尔效应在纯石墨烯中不可能实现。量子自旋霍尔效应由美国科学院院士C. L. Kane（拓扑绝缘体研究先驱之一）在石墨烯模型中首次提出。姚裕贵等率先研究了石墨烯中的自旋轨道耦合相互作用，发现纯石墨烯中自旋轨道耦合能隙大小约为 1 μeV，指出量子自旋霍尔效应在纯石墨烯中无法实现。该工作纠正了此前 “纯石墨烯中自旋轨道耦合诱导的能隙约为 meV 量级” 的普遍看法，获得了国际上的广泛认可。相关研究成果发表在[PRB 75, 041401(R) (2007), SCI引用728次]。美国科学院院士C. L. Kane [Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010)]和诺贝尔奖获得者 A. K. Geim（石墨烯的发现者）[Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009)]分别在综述中正面引用了该工作。姚裕贵等还与美国普林斯顿大学M. Zahid Hasan团队合作，在高质量的Bi4Br4单晶材料表面观察到室温下的量子自旋霍尔边缘态 [Nat. Mater. 10.1038/s41563-022-01304-3 (2022)]，在实验上验证了姚裕贵等于8年前提出的性能优良的量子自旋霍尔绝缘体Bi4Br4体系[Nano Lett. 14, 4767 (2014), SCI引用132次; NJP 17, 015004 (2015)]。此外，姚等人预言了迄今为止具有最大能隙（>1eV）的二维拓扑绝缘体铋烷以及卤化物家族[PRB 90, 085431 (2014), NPG Asia Mater. 6, e147 (2014) , SCI引用分别为115、218次]，大能隙已被实验证实。
三维拓扑绝缘体的研究：
姚裕贵等还率先发展了适用于任意体系的拓扑不变量Z2的第一性原理方法，国际上首次实现了无空间反演体系Z2的计算[Comput. Phys. Commun.183,1849 (2012)]，并利用该方法预测了Half-Heusler [PRL 105,096404 (2010), SCI引用287次; PRB 82, 235121 (2010), SCI引用142次]和黄铜矿[PRL 106, 016402 (2011), SCI引用119次]两个新体系中可能存在大量三维拓扑绝缘体，所预言的部分拓扑材料已被美国、波兰、中国等7个实验研究组所证实。该系列工作发表以后立即引起同行的重视，相继被国内、外的权威期刊所引用，包括美国科学院院士张首晟教授在综述文章[Rep. Prog. Phys.75,096501 (2012)]中大篇幅引用我们的工作。此外，我们的相关研究成果被Springer出版社的《The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Nanophysics and Applications》和Elsevier出版社的《Topological Insulators》收录。
在前期研究二维拓扑绝缘体Bi4Br4基础上，姚裕贵等进一步指出范德瓦尔斯三维材料beta-Bi4X4(X=Br, I)中可能实现理想的弱拓扑绝缘体相[PRL 116, 066801 (2016)]。随后，2019 年日本实验组发表在Nature上的实验论文表明在beta-Bi4I4中的确观测到了弱拓扑绝缘体态[Nature 566, 518 (2019)]，并直接在摘要中重点引用了此工作。因此，beta-Bi4I4成为首个被实验证实的三维弱拓扑绝缘体。在物性调控方面，姚裕贵等率先发现alpha-Bi4Br4高压诱导的相变和超导电性[PNAS 1909276116 (2019)]；该系列工作引起了国内、外同行的广泛关注。此外，在三维拓扑绝缘体新奇物性方面，姚等人预言了本征拓扑绝缘体中存在能带反转诱导的反常等离激元[PRL 119, 266804 (2017)]；以及首次在手性反铁磁中发现了不依赖于自旋轨道耦合和能带交换劈裂的拓扑磁光效应及其量子化[Nat. Commun. 11, 118 (2020)]；等等。
(3)演生粒子研究：
基于群表示理论构建演生粒子百科全书及相关程序包开发
演生粒子是出现在晶体能带简并附近的低能激发模式。自其提出以来，就一直受到人们的广泛关注，并在真实晶体材料和人工设计系统中被广泛报道。然而，至今学界一直还没有得到晶体体系中所有可能实现的演生粒子的完整图像。姚裕贵等在基于空间群构建演生粒子理论研究方面取得了一系列重要进展，例如，对三维空间中230个第二类磁空间群中的演生粒子进行系统性研究[Sci. Bull., 67(4), 345 (2022)]，该工作全文包括附件共计1200余页，已获得相关领域专家的极大关注，以及总结了第三类磁群和第四类磁群中对称性保护的演生粒子[PRB 105, 085117 (2022), 1800余页; PRB 105, 104426 (2022), 1500 余页]，并且首次发现拓扑荷为4（C-4 WP）的演生粒子、三次交叉狄拉克点以及当时间反演对称性破缺时磁单（双）群会出现单（双）群中不可能出现的对称性保护的演生粒子。同时，姚等人不仅探索包括固体中电子体系的自旋粒子，也包括声子和人工虚拟晶体等体系中的无自旋粒子，也给出了演生粒子、对称性条件、有效模型和拓扑特征之间的详细对应关系。目前围绕该系列工作，姚裕贵等已开发完成了一系列程序包，包括三维空间群表示相关的程序包SpaceGroupIrep [Comput. Phys. Commun., 265, 107993 (2021)]、用于构造磁性体系中低能有效模型的程序包MagneticTB 和MagneticKP [Comput. Phys. Commun., 270, 108153 (2022)；arXiv:2205.05830 (2022)]、用于计算声子谱不可约表示的程序包 PhononIrep [arXiv:2201.11350 (2022)]等。
演生粒子材料（如拓扑半金属）设计及其新奇物性研究
姚裕贵等在晶体材料体系特别是拓扑半金属的预测与新奇物性研究方面也取得了一系列显著的原创性成果：理论与实验相结合，国际上分别首次发现二维Cu2Si、GdAg2中存在Dirac、 Weyl节线费米子[Nat. Commun., 8, 1007 (2017), 引用169次; PRL 123,116401 (2019), 引用42次]；开创性提出了type-II节线半金属理论及材料实现[PRB 96, 081106(R) (2017), 引用136次]；成功预言了稳定的Dirac半金属材料Ta3SiTe6 [PRB 97, 045131 (2018), 引用86次]并被国外实验组所证实[PRM 5, 064203 (2021)]；同时，研究了type-II Weyl半金属在磁场下的新奇物性，提出了在type-II Weyl半金属中会出现不同寻常的磁光响应[PRL 117, 077202 (2016)，引用177次]；姚等人还提出了几种全新的固体准粒子概念以及材料实现，包括提出type-III Weyl费米子概念及其在(TaSe4)2I中的实现[PRB 103, L081402 (2021)]、自旋零带隙节线半金属[PRL 124, 016402 (2020), Nano Lett. 21, 8749 (2021)]，并发现了无序和拓扑增强的反常和自旋输运性质[PRL 129, 097201 (2022)]、等。