一个“备胎”课题登上Science，国际首次！中国科学家石墨烯应用重大发现！
2023-07-24 17:34:20
作者：材料学网 来源：材料学网
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一开始许杨对这个课题不报太大希望，他实在没想到最终能够取得如此突出的成果。6月30日，距离许杨回国已经过去了两年半，他与他的第一位博士生胡倩颖以及合作者在Science杂志上发表了一篇引人注目的研究成果。
他们通过突破传统的实验条件，不再局限于极低温、超高真空和强激光等苛刻环境，而是在相对常规的条件下"捕捉"并"操纵"了一种名为里德堡激子的准粒子。在准粒子的世界中，里德堡激子不仅拥有巨大的体积，还具备超强的力量，有望在量子计算和量子模拟等研究领域发挥重要作用。里德堡激子这种准粒子并不常被提及。在三年前，许杨还在康奈尔大学做博士后研究员时，他就意识到里德堡激子的存在，并认识到它有可能成为观测和研究量子世界的重要工具。从那时起，他开始了对这个领域的不断探索，如今终于实现了将其"牢牢抓住"的目标。因为只有在真正理解和掌握了里德堡激子后，才能将它发挥出更大的应用价值。过去的九年里，许杨在研究低维电子体系的新奇物性方面取得了丰硕的成果：他以第一作者或通讯作者的身份，在Nature杂志上发表了一篇文章，并在Nature子刊、Physical Review Letters以及Physical Review X等领域也发表了多篇论文。在2020年12月，许杨加入了中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室，并担任特聘研究员。在接受《中国科学报》采访时，许杨表示，能够在这里进行独立的研究，并享受自由的科研氛围，使他迅速成长为一名独立的主要研究员，并在自己感兴趣的领域中发挥出个人的专长。2023年2月15日，许杨把文章投稿给了《Science》杂志。4月6日，他收到了审稿人和编辑的反馈，提出了一些细节问题，并给予了6周的修改时间。提交修订后的论文一周后，他收到了一封邮件，内容是“接收”。对于那些一般需要经历2-3轮审稿，每次修改需要3个月时间的高水平期刊来说，这个速度让许杨感到非常惊喜，也让胡倩颖措手不及。起初，这个课题只是个备用计划，他们都认为它并不是重中之重。2021年春天，当时还在南开大学攻读研究生的胡倩颖加入了许杨的课题组，经过一年的时间，她成功进入中国科学院物理研究所攻读博士学位，成为许杨的第一个博士生。胡倩颖当时主要研究单层黑磷，但长时间以来一直没有取得什么结果，让她感到困扰和沮丧。"里德堡激子探测"是许多年前许杨一直从事的研究课题，胡倩颖对此非常感兴趣，并且这个课题相对来说比较稳定，于是她提出了想同时进行这两个课题的想法，并得到了导师的同意。事实上，近几年来，许杨和他的合作者们发展了一种名为"里德堡激子探测"的光学方法。另外，由两个单原子层的石墨烯叠加而成的转角石墨烯因其独特的物理特性而受到许多科学家的关注，他们试图使用各种方法来寻找转角石墨烯中的量子物态。"大多数发现都基于电学方法，而光学探测具有更高的空间分辨率，我们想用光学方法来验证转角石墨烯中的量子物态。"许杨告诉《中国科学报》，尽管这可能没有太大的意义，但总归也没有坏处。当时，许杨刚刚回国不久，实验设备还没有完全搭建好，实验室还在建设中，各方面条件都不是很便利。幸运的是，中国科学院物理研究所具有良好的合作氛围，他们得以借用极端条件物理重点实验室研究员张清明的实验设备来进行验证。"当时距离实验只有一周时间，我知道在这一周内不可能制备出单层黑磷样品，但我可以制备转角石墨烯样品。"胡倩颖说道，"错过了这次测试样品的机会，下一次就要等半年后我们自己的实验室建好之后了。"在短短的一周内，她制备了5个转角石墨烯与单层二硒化钨异质结构的样品，并在测量过程中制备了几个额外的样品。有一次，她甚至一次性测试了4个样品，充分利用了样品持架上全部的空间，以节省测量时间。正如他们预期的那样，他们发现大角度转角石墨烯和小角度转角石墨烯样品的光谱信号主要以"里德堡激子探测"机制为主，主要反映了介电函数的变化，例如在小角度转角石墨烯样品中探测到的一系列破缺对称性的关联电子物态。意外的是，在另外一些样品中，计算机屏幕上出现了一个异常的"波浪形"光谱。在她制备的第8个、也是最后一个样品中，他们测量到了这种"波浪形"光谱的角度依赖性，确认了这不是偶然造成的幻觉，背后一定存在着真实的物理机制。"非常漂亮，但我们仍然不清楚究竟是怎么回事。"师生两人讨论了多次，但始终没有得出结论。别人的实验室离开了，而自己的实验室还未建成，实验中断了半年，但他们对于那些“异常”数据的思考却从未停止。半年后，他们终于收到了自己的仪器。在许杨的指导下，胡倩颖制备了更多的器件样品，并再次进行了实验，结果却出现了相同的图像。在一个转角约为0.6度的石墨烯样品中，他们通过调节栅压来控制里德堡激子态，并观察到了明显的非单调红移现象，能量最低处已经接近基态激子。他们将这个现象命名为“里德堡莫尔激子态”。“通常情况下，比如大角度的转角石墨烯，随着栅压的变化，其能量应该呈单调递减。”胡倩颖解释道。经过一年的探索，他们对这种现象的来源有了初步的猜测，并找到了武汉大学教授袁声军团队，他们利用最新开发的实空间大尺度计算物理方法进行理论分析。袁声军告诉说，转角石墨烯体系的计算非常困难，与过去类似研究相比，计算量提高了几个数量级。他们利用自主开发的大尺度计算物理方法，对包含近千万个原子的超大体系进行了精确的电子结构计算，发现莫尔超晶格中空间电荷分布对这一实验现象起到了关键作用。“当时我们最难理解的是非单调红移现象的来源。虽然我们在计算出空间电荷分布后仍然无法理解，因为实空间的电荷分布似乎也是单调的。”胡倩颖说，“我们经常讨论，但始终没有答案，感觉整天都在梦中思考这个问题。直到有一天，我早上5点醒来，躺在床上想了一个小时，突然找到了答案。虽然当时只有态密度数据，详细的电荷分布还没计算出来，但我望着寝室的天花板，我知道我猜对了。”一个月后，0.6度转角石墨烯的空间电荷分布结果终于出来了。胡倩颖表示，单独观察某个区域，电荷密度的增长确实是单调的，但只要将最高和最低电荷密度的区域进行减法运算，一条熟悉的非单调曲线就会显现出来，与实验结果几乎完全吻合。这是里德堡激子中的电荷在空间上分布在不同的层次区域所导致的直接结果。在这个体系中，转角石墨烯产生了周期性莫尔势场，类似于冷原子体系中的光晶格，为里德堡激子提供了一个高度可调的束缚势场。这个势场就像地势一样，有高峰和低谷。正如水流向低处，里德堡激子的一个电荷也会逐个跳到低谷，而当它们跌入低谷时就被“囚禁”住了，这意味着科学家们“捕捉”到了里德堡激子。“一直以来，里德堡激子态与周围介电层之间的相互作用较弱，如何调控里德堡激子并实现强相互作用以及空间囚禁，一直是一个迫切需要解决的问题。”许杨说道。如今回想起来，许杨仍然有些惊讶，他笑着说，“这个领域竞争非常激烈，国际上公认为最顶尖的研究组织也在同时进行这项研究。我们投稿一个月后，他们就在预印本网站上发布了他们的研究结果。如果我们再晚一步，可能就无缘参与了。”里德堡激子被誉为激子界的“巨人”，它具有许多优势特性，比如可以在半导体中自由移动，并能够对周围环境的变化做出较大的响应。科学编辑部首次在固态体系中“捕捉”到里德堡激子，这也是一次备受科学界青睐的关键发现。就像电影《绿巨人》中所描绘的那样，当人类暴露于强大辐射后，会引发身体内神秘力量的激发，从而变身成拥有超强力量的绿巨人。而这种实际中难以实现的情景，可以通过精心构造的材料在固体中实现。这项研究开创了新的研究方向，具有重要意义。里德堡莫尔激子态的实验发现系统地展示了对里德堡激子的可控调节和空间束缚，为在量子科学、技术等领域基于固态体系中的里德堡态应用提供了一条潜在途径。对于许杨来说，这是他回国成为独立PI (Principal Investigator) 后取得的又一项重要研究成果。为了更好地揭示强耦合状态的演变，作者制作了更多的器件，并测量了扭曲角度在~0.6°到1.23°之间的器件，表明XRM具有很强的层间库仑相互作用。总之，作者开发并实验证明了一种利用长波莫尔势在空间上限制和操纵里德伯激子的方法。强结合的XRM配合物可以被层间相互作用支配，并接近基态激子的能量。该系统可以通过静电掺杂控制势阱深度，通过扭转角调节莫尔波长，并通过电子-空穴分离保证更长的使用寿命。这些特征将有助于进一步实现激相互作用和相干控制。在他看来，突破性的自由探索研究很难在初期就有设计，大部分都是在“意外”发现之后，通过不断思考和挖掘背后的机理而获得的。实际上，这也是里德堡莫尔激子研究中最具挑战性的方面，它并非通过实验测得即可发现，而需要通过漫长的探索逐步揭开神秘的面纱。"需要对数据进行详细分析，并与不同的合作者进行不断讨论和交流，才能揭示其中与一些物理机制相关的发现，并产生真正有价值的科学成果。”许杨和他的团队频繁取得成果，离不开一直以来的“自由”氛围。“许老师允许他们开展个人感兴趣的研究，而不是强加主题。”胡倩颖说道，“在环境上，他们也给予了我们很大的‘包容’。我住在天津，每周末都可以离开实验室回家，他从不要求我们‘加班’熬夜，工作氛围轻松而不紧张……这项成果的取得就是自由宽松的环境下，对于大自然最纯粹好奇心的回报。”“许老师努力且善于沟通，有事情会和我们一起完成。”胡倩颖谈到选择年轻导师作为指导教授的初衷时说，实验室从装修到搭建仪器，他从不作为一个“旁观者”。而他自己，在美国普渡大学和康奈尔大学时，导师们把他当作独立的科研人员培养，并给予了充分的发展空间，鼓励他独立开展科研工作。“只有在自己感兴趣的领域深耕，才能充分发挥自己的特长。”许杨说道。
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