如果碳原子變成二維結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出怎樣的能力？

當(dāng)我們用鉛筆在紙上書寫繪畫的時(shí)候，可能并不會(huì)意識(shí)到黑色的石墨筆芯有什么神奇之處，但如果從微觀物理科學(xué)的角度來看，卻是另一個(gè)充滿奧妙的世界。

石墨是碳同素異形體的一種形態(tài)，碳原子可組成平面六邊形環(huán)平鋪結(jié)構(gòu)，堆疊起來便是石墨，因這些層狀結(jié)構(gòu)之間僅有微弱的結(jié)合力，可以輕易造成相互滑動(dòng)、脫落。石墨也因此表現(xiàn)出質(zhì)地較軟且有滑膩感的特性，不僅能用來寫字，還能做潤(rùn)滑材料，同時(shí)科學(xué)家們利用石墨材料較好的耐腐蝕性、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性等，在產(chǎn)業(yè)界展開廣泛應(yīng)用。

而碳原子的神奇之處在于，不同的排列組合能形成屬性截然不同的材料。例如在極高壓力下，每個(gè)碳原子會(huì)以四面體狀與另外四個(gè)碳原子鍵合，形成一個(gè)三維密鋪網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)晶便是具備較高透明度和超強(qiáng)硬度的鉆石，與石墨相比也變成了不導(dǎo)電材質(zhì)。

圖｜碳的兩種常見同素異形體，分別是鉆石（左）及石墨（右）（來源：維基百科）

如果碳原子變成二維結(jié)構(gòu)又會(huì)表現(xiàn)出怎樣的能力？答案便是在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域火了十多年的超級(jí)材料：石墨烯。通俗來講，即單原子層平面的石墨，這種單層原子組成的晶體材料也稱作二維材料，據(jù)了解，1 毫米厚度的石墨大約是由 300 萬(wàn)層石墨烯堆疊而成。

2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈?海姆（AndreGeim）和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）成功在實(shí)驗(yàn)室從石墨中分離出了石墨烯，并在室溫下觀察到石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)，2010 年，二人因?qū)κ┑拈_創(chuàng)性貢獻(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯作為人類成功制備出的第一款二維材料，被科學(xué)家們廣泛譽(yù)為是改變 21 世紀(jì)的材料之王，吸引了各國(guó)物理學(xué)家對(duì)此展開深入科研。它不僅是目前人類已知強(qiáng)度最高、最薄的納米材料，而且具備超導(dǎo)電性、極好的熱傳導(dǎo)性和光學(xué)特性等。

一種新材料的應(yīng)用邊界有多廣，取決于對(duì)其物理特性的了解有多深，在過去超過 15 年的時(shí)間里，科學(xué)家對(duì)石墨烯的研究已然走向深水區(qū)，但關(guān)于石墨烯的特性我們了解透徹了么？

來自麻省理工學(xué)院（MIT）物理系的助理教授巨龍，近年來通過融合光學(xué)、微器件加工及電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量等跨領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)手段，揭示了更多關(guān)于石墨烯材料的全新物理特性和應(yīng)用前景，其創(chuàng)新發(fā)明的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也對(duì)二維材料的物理研究起到了重要助推作用，憑借極具開拓性的科研貢獻(xiàn)，他成功入選了《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國(guó)區(qū)榜單。

在日前的一次交流中，巨龍向 DeepTech 講述了他眼中的二維材料 2.0 時(shí)代。

圖｜《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國(guó)區(qū)榜單入選者巨龍

二維材料 2.0 時(shí)代

巨龍今年 33 歲，本科畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，2009 年 - 2015 年期間，他在加州大學(xué)伯克利分校先后獲得物理學(xué)碩士和博士學(xué)位，隨后進(jìn)入到康奈爾大學(xué)卡弗里納米科學(xué)研究所以及原子和固體物理研究所做博士后研究，2019 年 1 月，加入麻省理工學(xué)院物理系擔(dān)任助理教授。

在外界看來，多年偏基礎(chǔ)物理科學(xué)的研究不免會(huì)有些枯燥，但對(duì)巨龍來說，興趣是最好的內(nèi)心驅(qū)動(dòng)力，他所領(lǐng)導(dǎo)的課題組目前也是聚焦于對(duì)二維材料的一些基本物理性質(zhì)的研究。

巨龍介紹，從 2005 年至今，科學(xué)界基本是一邊研究已發(fā)現(xiàn)的二維材料性質(zhì)，另一方面，也在不斷尋找新的二維材料。石墨烯是這個(gè)領(lǐng)域里的第一個(gè)材料，近 15 年時(shí)間里科學(xué)家們已經(jīng)做了很多突破性工作，曾經(jīng)有一段時(shí)間，業(yè)界認(rèn)為對(duì)石墨烯的相關(guān)特性都已經(jīng)搞清楚了，于是就把注意力跟重心轉(zhuǎn)移到去研究其他的二維材料。

圖｜兩層石墨烯以 1.1 度的偏轉(zhuǎn)夾角疊起來時(shí)實(shí)現(xiàn)了 1.7K 溫度下的超導(dǎo)（來源：Quanta Magazine）

轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在 2018 年初，一項(xiàng)重磅研究在扭曲雙層石墨烯中觀察到新型超導(dǎo)現(xiàn)象，被稱為“魔角石墨烯”，DeepTech 曾對(duì)此進(jìn)行過采訪報(bào)道：《21歲 MIT 中國(guó)科學(xué)家連發(fā)兩篇Nature論文：室溫超導(dǎo)有望實(shí)現(xiàn)重大突破，石墨烯揭開其中“魔法” | 獨(dú)家》。

與傳統(tǒng)超導(dǎo)有很多不一樣的特性，此發(fā)現(xiàn)雖然離高溫超導(dǎo)甚遠(yuǎn)，但對(duì)揭開超導(dǎo)原理之謎意義深遠(yuǎn)，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主羅伯特?勞夫林（Robert Laughlin）曾評(píng)論該發(fā)現(xiàn)是 “一個(gè)令人目眩的暗示”，未來可能幫助推演設(shè)計(jì)出常溫超導(dǎo)體，此后，石墨烯又重新成為整個(gè)二維材料乃至整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域非常前沿的研究焦點(diǎn)。

“如果你只考慮一層二維材料的話，它該有什么樣的性質(zhì)，說實(shí)話十幾年時(shí)間大家都研究得比較清楚了，但如果你把二維材料想象成一張紙，不同的紙有不同的屬性，兩張紙可以疊起來，同理，你也可以把二維材料連接起來，這個(gè)事情就變得非常有趣，它們之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，表現(xiàn)出跟兩張完全分開的紙非常不一樣的物理特性，從結(jié)構(gòu)的角度來講，科學(xué)家就可以獲得之前自然界中所不存在的材料?！?/p>

在巨龍看來，二維材料目前已進(jìn)入 2.0 時(shí)代，科學(xué)家們?cè)?1.0 時(shí)代主要研究單個(gè)的二維材料的性質(zhì)，研究完可能就去尋找下一種二維材料。但目前在 1.0 的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們對(duì)各種二維材料的性質(zhì)理解比較清楚的情況下，突然打開了一個(gè)全新的領(lǐng)域，可以把不同的二維材料組合在一起，或是控制扭轉(zhuǎn)的角度產(chǎn)生更多實(shí)驗(yàn)變量，包括探索與拓?fù)洳牧系穆?lián)系等，然后研究發(fā)現(xiàn)了全新的物理性質(zhì)。

二維材料 2.0 時(shí)代剛剛揭幕，正在不斷有驚喜產(chǎn)生。

圖｜多層石墨烯概念圖（來源：pixabay）

三篇論文，三個(gè)開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)

2011 年，巨龍第一次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)并證明了石墨烯中等離子體的存在及其基本物理性質(zhì)，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)被《自然 - 納米技術(shù)》進(jìn)行了專題報(bào)道，論文被引用超過 2300 次，目前是該細(xì)分領(lǐng)域被引用最多的文章，對(duì)石墨烯等離子學(xué)的研究具有開創(chuàng)性。

等離激元作為電子集體震蕩的量子形式，在材料的電學(xué)響應(yīng)方面扮演著最基本和重要的角色，而且，與等離子激元相關(guān)的電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)可以比具有相同頻率的光的波長(zhǎng)短幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，等離子體可用來控制納米級(jí)的電磁輻射，它們對(duì)固體中的電子對(duì)外部磁場(chǎng)的響應(yīng)以及超材料在負(fù)折射、超透鏡和隱身涂層等應(yīng)用中的功能都起到關(guān)鍵作用。

這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米帶中的等離子體具有廣泛的可調(diào)諧頻率，并可與光發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。巨龍和團(tuán)隊(duì)通過改變石墨烯納米帶寬度和其中的電荷載流子濃度，可以在較寬的太赫茲頻率范圍內(nèi)調(diào)諧石墨烯等離子體共振，等離子體頻率可從～1.5 太赫茲調(diào)整到～6 太赫茲。

這些結(jié)果為從近紅外到遠(yuǎn)紅外可調(diào)的各種器件打開了大門，包括超材料器件（如調(diào)制器、濾波器、偏振器、減速器、隱身器件和超級(jí)透鏡），等離子器件（包括生物和化學(xué)傳感器）和光電子器件（振蕩器、放大器、光電探測(cè)器、高速通訊互聯(lián)等），揭示了基于石墨烯材料全新的等離子體學(xué)和太赫茲超材料結(jié)合的科研思路。

圖｜石墨烯微帶陣列可以通過不同方式進(jìn)行調(diào)整（來源：Berkeley Lab）

2015 年，巨龍的又一項(xiàng)工作成果再次被《自然》雜志和許多主流物理媒體報(bào)道，他和同事在雙層石墨烯的疇壁上發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浔Ｗo(hù)的一維電子傳導(dǎo)通道，這些傳導(dǎo)通道是 “谷極化” 的。

在實(shí)驗(yàn)手段上，巨龍結(jié)合了近場(chǎng)紅外納米級(jí)顯微鏡和低溫電遷移測(cè)量技術(shù)，記錄了雙層石墨烯疇壁上一維彈道電子傳導(dǎo)通道的第一批實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，它們的存在為探索石墨烯中獨(dú)特的拓?fù)湎嗪湍芄任锢韺W(xué)提供了廣闊前景。

能谷電子學(xué)作為量子計(jì)算的潛在途徑，在高科技行業(yè)同樣受到極大關(guān)注，電子的能谷自由度類似于電子自旋，利用能谷自由度在數(shù)據(jù)處理速度方面比傳統(tǒng)電子學(xué)中使用的電荷具有巨大優(yōu)勢(shì)，能夠用來存儲(chǔ)和傳遞信息，可以制作出創(chuàng)新的納米光電子器件，也有望發(fā)展成與傳統(tǒng)電子學(xué)和自旋電子學(xué)并行的下一代電子學(xué)學(xué)科。

圖｜博士階段的巨龍（左一）（來源：Berkeley Lab）

同樣是在雙層石墨烯研究領(lǐng)域，2017 年，巨龍?jiān)诓┦亢罂蒲须A段，憑借在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的創(chuàng)新再次有了全新發(fā)現(xiàn)，論文以《雙層石墨烯中的可調(diào)激子》為題發(fā)表在《科學(xué)》雜志。

激子是固體材料中電子和空穴的束縛態(tài)，對(duì)絕緣體和半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。在這項(xiàng)研究中，巨龍和團(tuán)隊(duì)利用了光電流光譜法研究了封裝在六方氮化硼中的高質(zhì)量雙層石墨烯（BLG），進(jìn)而觀察到兩個(gè)明顯的激子共振，其激子光學(xué)吸收峰線寬較窄，可從中紅外到太赫茲范圍內(nèi)調(diào)諧。

這使得雙層石墨烯在新型激光器和檢測(cè)器的開發(fā)中具有潛在的意義，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)完全由其結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分決定，而在雙層石墨烯中可以通過外加電場(chǎng)輕易地調(diào)控出傳統(tǒng)半導(dǎo)體從未有過的性質(zhì)。

圖｜紅外線照亮雙層石墨烯并產(chǎn)生激子（來源：Cornell Chronicle）

這些激子的光學(xué)躍遷研究發(fā)現(xiàn)與許多技術(shù)應(yīng)用相關(guān)，例如分子光譜、材料分析、熱成像和天文應(yīng)用等，特別是在此范圍內(nèi)具有高品質(zhì)因數(shù)的強(qiáng)且原位可調(diào)諧激子共振，有望讓石墨烯成為適用于各種光學(xué)和光電應(yīng)用更好的材料，例如可調(diào)紅外探測(cè)器、發(fā)光二極管和激光器。

不斷有新發(fā)現(xiàn)的背后得益于對(duì)實(shí)驗(yàn)手段的改進(jìn)，巨龍?jiān)诳的螤柎髮W(xué)的博士后工作期間，從零開始搭建了一套近場(chǎng)紅外顯微鏡，并發(fā)展出一套全新的磁場(chǎng)中的廣譜紅外微光譜技術(shù)，這是一套微米尺度下的傅里葉變換光電能譜技術(shù)，對(duì)進(jìn)一步研究石墨烯和其他二維材料提供了重要手段。

圖｜巨龍課題組主頁(yè)展示的科研技術(shù)方向（來源：MIT）

多嘗試別人沒有嘗試過的思路

“這三篇論文關(guān)注的材料對(duì)象雖然都是石墨烯，但側(cè)重于它的幾個(gè)非常不一樣的物理性質(zhì)的研究。對(duì)于一個(gè)新材料，我們更關(guān)注的是它能夠給我們帶來什么全新的認(rèn)知？它相比于傳統(tǒng)的材料有什么更好的特性？我們?cè)趺慈ネ诰?？以這樣的興趣和問題作為出發(fā)點(diǎn)，然后再去設(shè)計(jì)我們的實(shí)驗(yàn)，每一篇文章基本都是小的領(lǐng)域內(nèi)第一篇開創(chuàng)性的文章?！?巨龍表示。

關(guān)于在科研課題選擇方面的邏輯，巨龍介紹，如果局限在一個(gè)細(xì)分的方向，繼續(xù)往下去做研究，應(yīng)該還是會(huì)出其他的成果，但他和團(tuán)隊(duì)在挑選課題的時(shí)候，更傾向于從最感興趣、最重要的、比較大的物理問題出發(fā)，想法和思路上的創(chuàng)新比較被看重，而不是完全基于已做出一些成果，下一步在這個(gè)小方向上繼續(xù)做一些遞進(jìn)式改進(jìn)。

能做出開創(chuàng)性的研究有什么訣竅么？

巨龍回答：“二維材料有很多意想不到的性質(zhì)，但現(xiàn)在的瓶頸往往是我們?nèi)狈线m的實(shí)驗(yàn)工具來研究它。例如我們當(dāng)時(shí)在做 2017 年的那篇研究論文的時(shí)候，遇到的問題就是大家預(yù)測(cè)這個(gè)材料可能會(huì)有特殊的物理現(xiàn)象，但是我們?nèi)狈σ粋€(gè)手段，能夠真正地在實(shí)驗(yàn)上探測(cè)到這些特性的數(shù)據(jù)。所以本質(zhì)還是從科學(xué)問題出發(fā)，我們并不受限于自己能做什么，而是看我們需要做什么，如果一個(gè)問題驅(qū)動(dòng)，需要去匹配一些新的手段，我們就想辦法去發(fā)明這樣的手段。”

目前，巨龍自己帶領(lǐng)的課題組仍在不斷嘗試用新的實(shí)驗(yàn)手段去探測(cè)石墨烯 2.0 時(shí)代的一些很重要的其他課題，去嘗試別人沒有嘗試過的科研路徑，而得益于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的創(chuàng)新，也能做出一些非常特別、獨(dú)家原創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的石墨烯材料科研領(lǐng)域，與其他研究團(tuán)隊(duì)明顯區(qū)分開來。

巨龍的導(dǎo)師和同事都評(píng)價(jià)他是國(guó)際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星，對(duì)于自己現(xiàn)階段成就和外界的贊譽(yù)，他表示，正如二維材料 2.0 時(shí)代剛剛起步，自己其實(shí)也處于獨(dú)立研究生涯比較早期的階段，現(xiàn)階段最大的期望是能夠盡快把自己的課題組研究做起來，過渡到一個(gè)更穩(wěn)定的科研階段。

“重點(diǎn)還是腳踏實(shí)地。” 巨龍最后說道。

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