安博体育网址

“把晶體雙層石墨烯和單層半導(dǎo)體二硒化鎢結(jié)合在一起，可以看到本征的雙層石墨烯的超導(dǎo)態(tài)被顯著增強(qiáng)，這個(gè)現(xiàn)象太有趣了，這里面還有很大的空間可以挖掘?！崩盥?tīng)昕表示。

“我們發(fā)現(xiàn)雙層石墨烯和二硒化鎢貼合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)后，性質(zhì)變得非常豐富，但是其超導(dǎo)態(tài)其實(shí)并未被完整地表征出來(lái)，主要原因就是之前實(shí)驗(yàn)所加的電場(chǎng)比較受限，只能到1 V/nm。我和李老師討論達(dá)成的共識(shí)是，我們可以把電場(chǎng)推到更高?！眲匝┱f(shuō)。

李聽(tīng)昕在美國(guó)康奈爾大學(xué)做博士后期間，研究興趣集中在二維層狀半導(dǎo)體及其莫爾超晶格系統(tǒng)，其間積累了許多實(shí)驗(yàn)技巧，因此對(duì)提升電場(chǎng)強(qiáng)度很有把握。

李聽(tīng)昕主要做二維層狀半導(dǎo)體研究，劉曉雪擅長(zhǎng)的領(lǐng)域則是石墨烯超導(dǎo)，原本是不同的兩個(gè)方向，夫妻倆卻意想不到地碰撞出全新的火花——首次在單晶雙層石墨烯與二維半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到電子摻雜的超導(dǎo)態(tài)。這篇論文近日發(fā)表于Nature。

這項(xiàng)研究從一開(kāi)始到最終完成，任何一個(gè)環(huán)節(jié)做得不到位，可能都會(huì)以失敗告終。這期間，李聽(tīng)昕和劉曉雪親自傳授剛?cè)虢M的博士生李楚善器件制備技巧，確保做出好樣品。

安博体育网址當(dāng)平常夫妻都在討論柴米油鹽時(shí)，上海交通大學(xué)副教授李聽(tīng)昕和劉曉雪這對(duì)科研眷侶的畫(huà)風(fēng)卻是這樣的：“實(shí)驗(yàn)為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象呢？我們一起研究一下。”

而且，大部分課題組在這種非轉(zhuǎn)角石墨烯體系中，一直都是圍繞空穴摻雜的超導(dǎo)情況，沒(méi)有人研究電子摻雜，李聽(tīng)昕和劉曉雪“一拍即合”，決定開(kāi)辟這個(gè)“無(wú)人區(qū)”。

與魔角石墨烯超導(dǎo)研究在Nature和Science上發(fā)表的論文數(shù)量相比，雙層石墨烯超導(dǎo)則顯得“勢(shì)單力薄”，距離上一篇頂刊論文發(fā)表已過(guò)去兩年。李聽(tīng)昕和劉曉雪這篇論文首次在單晶雙層石墨烯中觀測(cè)到電子摻雜情況的超導(dǎo)電性，這對(duì)于理解晶體石墨烯及轉(zhuǎn)角石墨烯系統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)理、設(shè)計(jì)制備基于石墨烯系統(tǒng)的高質(zhì)量新型超導(dǎo)量子器件等具有重要意義。

石墨烯研究已有20年歷史，一個(gè)材料之所以反復(fù)研究還能出驚喜，其中一個(gè)重要原因在于器件質(zhì)量的不斷提升。隨著做法的改進(jìn)、加工工藝的精細(xì)化，石墨烯中的缺陷越來(lái)越少。而缺陷減少，雜質(zhì)效應(yīng)就會(huì)被壓制，以前被雜質(zhì)效應(yīng)所掩蓋的一些非常有趣的物理現(xiàn)象便開(kāi)始顯現(xiàn)。而劉曉雪在美國(guó)布朗大學(xué)做博士后期間的主要研究?jī)?nèi)容是轉(zhuǎn)角石墨烯超導(dǎo)，對(duì)制作高質(zhì)量樣品有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。

其實(shí)，這已經(jīng)不是倆人第一次合作。去年8月，他們跟美國(guó)的一個(gè)課題組同時(shí)在arXiv預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)表了有關(guān)分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)的首個(gè)確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)，當(dāng)時(shí)那個(gè)實(shí)驗(yàn)也需要去懷柔用極端條件實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量?！澳菚?huì)兒，6月底7月初要去北京進(jìn)行稀釋制冷極低溫測(cè)量時(shí)，正好趕上我要去醫(yī)院生孩子，李老師立馬退掉了當(dāng)天前往北京的高鐵票，陪伴左右悉心照顧我。等我和孩子出院后才又馬上帶著學(xué)生去北京測(cè)量?！眲匝┱f(shuō)。

相比而言，雙層石墨烯是一種穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)，是天然石墨的基本組成單元，然而基于這個(gè)結(jié)構(gòu)，能在這個(gè)體系中觀測(cè)到超導(dǎo)的，之前全球只有兩個(gè)課題組，第一個(gè)是最早發(fā)現(xiàn)雙層石墨烯超導(dǎo)的美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校Andrea Young課題組（文章發(fā)在Science），第二個(gè)則是前文提到的加州理工學(xué)院的Stevan Nadj-Perge課題組（文章發(fā)在Nature）。這兩個(gè)課題組之間還進(jìn)行了一些合作。

早在2022年，美國(guó)加州理工學(xué)院教授Stevan Nadj-Perge課題組發(fā)表了一篇arXiv預(yù)印本論文，給李聽(tīng)昕和劉曉雪帶來(lái)啟發(fā)。

為了繼續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，李聽(tīng)昕和劉曉雪及課題組研究生帶著篩選好的樣品，前往北京市懷柔科學(xué)城使用中國(guó)科學(xué)院綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的稀釋制冷機(jī)，開(kāi)展測(cè)量工作。

夫妻二人表示，他們未來(lái)還會(huì)開(kāi)展更多的合作，爭(zhēng)取做出更多杰出的科研成果。對(duì)于科研夫妻來(lái)說(shuō)，最獨(dú)特的浪漫，大約就是“我的論文上恰好也有你的名字”吧。

“這期間，由于測(cè)量時(shí)間受限，我們從上海到北京往返了三趟，其間還要特別注意保護(hù)脆弱的石墨烯樣品。不過(guò)做研究就是這樣，過(guò)程永遠(yuǎn)不可能一帆風(fēng)順，中間的各種變量才是常態(tài)。”李聽(tīng)昕說(shuō)。

接下來(lái)，要深入研究樣品的物理性質(zhì)，就需要把它放到極端條件下進(jìn)行系統(tǒng)地輸運(yùn)測(cè)量。然而，當(dāng)時(shí)必須用到的稀釋制冷機(jī)（可實(shí)現(xiàn)最低溫度在10mK左右），受到國(guó)際設(shè)備禁運(yùn)的影響，課題組無(wú)法購(gòu)買到設(shè)備，亦無(wú)法開(kāi)展樣品超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)的研究。

“在當(dāng)時(shí)，從已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)看能實(shí)現(xiàn)1 V/nm的垂直電場(chǎng)已經(jīng)算是一個(gè)極限，我們帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)優(yōu)化樣品制備方法，將所加電場(chǎng)的極限推高到1.6V/nm，可以說(shuō)是世界上第一個(gè)能實(shí)現(xiàn)這么高電場(chǎng)的高質(zhì)量石墨烯樣品。得益于能夠給樣品施加超過(guò)前人研究的高電場(chǎng)，我們第一次在晶體石墨烯的電子端通過(guò)柵極靜電摻雜發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)。這是令人很興奮的?！崩盥?tīng)昕介紹。

“好在我倆都是非常理性的人，任何事情都是有商有量、相扶相攜。之前我們?cè)诿绹?guó)做博士后的時(shí)候是異地戀，一年也就見(jiàn)兩三面，后來(lái)李老師比我早回國(guó)，我倆又異國(guó)戀一年，但感情一直很穩(wěn)定，就是因?yàn)橐呀?jīng)習(xí)慣這種相處模式了。同為科研人，所以更能體諒對(duì)方?！眲匝┱f(shuō)。

克服了重重困難，這項(xiàng)成果最終于去年9月正式發(fā)表在《物理學(xué)評(píng)論X》上，分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)是凝聚態(tài)物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)，所以這一重大成果也受到了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注和高度評(píng)價(jià)。

“有了孩子以后會(huì)發(fā)現(xiàn)更難，劉老師尤為辛苦。不得不感慨女性為家庭的犧牲和付出是偉大的，她們的時(shí)間被大大壓縮，我們合作的科研工作收到很多學(xué)術(shù)會(huì)議的報(bào)告邀請(qǐng)，也只能我去，因?yàn)楹⒆犹‰x不開(kāi)媽媽?！崩盥?tīng)昕表示。

在李聽(tīng)昕和劉曉雪的這篇論文發(fā)表前，研究者們只在單晶石墨烯空穴端發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，從未在其電子端觀察到超導(dǎo)態(tài)。而且論文中還指出了電子端超導(dǎo)態(tài)跟空穴端超導(dǎo)態(tài)相比，在性質(zhì)上存在許多區(qū)別。Nature編輯也深知這項(xiàng)研究的重要價(jià)值，經(jīng)過(guò)專業(yè)的審稿流程，很快便接收了該論文。

直到2018年，美國(guó)麻省理工學(xué)院Pablo Jarillo-Herrero教授課題組的博士生曹原在Nature發(fā)表兩篇重磅論文，他們發(fā)現(xiàn)了魔角石墨烯體系的超導(dǎo)電性，開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理研究的一個(gè)新的研究方向。從此，掀起了魔角石墨烯超導(dǎo)和二維材料莫爾超晶格的研究熱潮，無(wú)數(shù)科研人員聚焦其中試圖重復(fù)、拓展相關(guān)研究。

由此，李聽(tīng)昕和劉曉雪也成為了全球第三個(gè)在單晶石墨體系中觀測(cè)到超導(dǎo)態(tài)的課題組。其中一名審稿人看到文章時(shí)的喜悅之情溢于言表，他很欣慰除了前兩個(gè)課題組之外，還有其他課題組能夠重復(fù)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且在此基礎(chǔ)上又有新的發(fā)現(xiàn)。