中国学者开发晶态多层石墨烯器件，为寻找强关联材料提供指导

　　2004年，来自英国曼彻斯特大学的两位科学家，通过简单的胶带法制备出了单层石墨烯。自此以后，这种因特殊的分子组成而产生奇特的物理和化学特性的材料，得到了世界范围内的广泛关注，上述两位科学家也因发现石墨烯而获得2010年的诺贝尔物理学奖。
　　2007年，中国台湾电视剧《转角遇到爱》一经播出，就受到广大观众的喜爱。这部电视剧主要讲述了两个主人公在他们人生的转角相遇，并发生一段浪漫甜美的爱情的故事。
　　而物理学中的魔角石墨烯，似乎也在双层石墨烯的转角中发现新的大陆。
　　具体来说就是，如果两层或多层石墨烯的分布角度发生了精确的偏转，那么石墨烯将会呈现超导性，即可以没有阻力地传输电子。
　　这是因为，当双层石墨烯以一定的角度排列时，会改变两层石墨烯的狄拉克锥能带杂化效果，出现莫尔条纹，此时狄拉克锥上会打开一个能隙，同时费米速度将被重整化。在某些特定的角度，费米速度将会变为零，这个精确偏转的角度被称为魔角。
　　随后，美国斯坦福大学的科学家在类似的魔角石墨烯氮化硼异质结中观察到铁磁性。由于同时兼备原本相互对立的超导性和铁磁性，魔角石墨烯有望在未来的量子计算机上得到应用。
　　不过，这种精确角度的设定，在制备过程中是很难控制的。这是因为对于大面积石墨烯超晶格体系来说，需要考虑材料不同位置的转角不确定性。
　　那么，能否在没有转角的多层石墨烯材料中，也实现这种神奇的现象呢？
　　这正是博士毕业于美国加州大学圣塔芭芭拉分校的周昊欣所专注的课题。他通过研究发现，在不引入外界复杂的干扰条件下，能够在本征石墨烯体系中观察到关联电子磁性和超导现象。
　　相关成果分别以《菱形三层石墨烯中的半金属和四分之一金属态》（Halfandquartermetalsinrhombohedraltrilayergraphene）和《菱形三层石墨烯的超导性》（Halfandquartermetalsinrhombohedraltrilayergraphene）为题，同日发表于2021年10月21日的Nature上〔1〕〔2〕。双层石墨烯的成果以《伯纳尔双层石墨烯的同位旋磁性和自旋极化超导性》（IsospinmagnetismandspinpolarizedsuperconductivityinBernalbilayergraphene）为题发表于2022年2月18日的Science上〔3〕。
　　凭借上述开创性的成果，目前于美国加州大学伯克利分校担任博士后研究员的周昊欣成为2022年度《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人中国入选者之一。
　　图2022年度《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人中国入选者周昊欣
　　令人向往的石墨烯
　　谈及为何要将多层石墨烯作为研究对象，周昊欣表示，石墨烯材料优良的电子性质、机械性质和化学性质使得它们一经发现，就得到了科学家们广泛的研究。2018年，曹原发现通过特定角度堆叠多层石墨烯时，这种层间的扭曲结构会产生莫尔超晶格现象，从而出现类似超导现象的特殊电子行为。
　　这一系列现象是由材料中的电子相互作用导致的，说明魔角石墨烯是一个强关联电子系统。这一发现极大地扩展了石墨烯在高性能集成电路、高效能量传播以及量子计算等领域的应用潜力。
　　图丨相关论文（来源：Nature）
　　为了在没有莫尔条纹的晶态石墨烯中，找到与魔角石墨烯类似的、例如电子磁性态和自旋极化超导态等强关联电子系统现象，周昊欣设计了一个可以研究和完善复杂的量子多体问题的实验体系。
　　这个体系是一个高度有序且易于调控的具有超导和磁性等强关联电子性质的材料，是研究量子多体物理的理想实验平台。
　　周昊欣将研究对象主要放在两类多层石墨烯体系上，一种是由两层碳原子不经旋转堆叠而成的伯尔纳双层石墨烯晶体，另一种是由三层碳原子不经旋转堆叠而成的菱方三层石墨烯晶体。
　　这两种材料都具有被称为范霍夫奇点的电子性质，该性质是其成为强关联材料的主要原因。并且，伯纳尔双层石墨烯和菱方三层石墨烯是二维晶态碳材料中仅次于单层石墨烯的结构最简单的两种材料，和人工堆叠而成的石墨烯摩尔超晶格相比，它们具有极高的均匀性。此外，伯纳尔双层石墨烯还具有极高的稳定性。
　　在实验室中，这两种材料通常通过机械剥离天然石墨来获得。受益于这类材料的均匀性，这类生长技术将使得基于它们所构造的复杂电路成为可能。此外，这两种材料也可以通过栅极电压调制来实现超导态和铁磁态的切换，进一步扩展了其应用潜力。电子输运实验表明，这两种材料都可以在外电场和外磁场调制下呈现出多种强关联电子态，其中最新奇的电子态是在其他材料中罕见的自旋极化超导态。
　　除上述研究外，周昊欣还在石墨烯量子霍尔体系中自旋波输运的测量技术上也进行过研究。
　　传奇而扎实的学习科研经历
　　周昊欣之所以能够取得如此精彩的科研成果，得益于他扎实的学习基础和坚实的科研经历。
　　他表示，其在博士期间二维范德华异质结在低温下的热力学和输运性质的科研经历对他个人而言非常重要。
　　他通过使用磁振子研究石墨烯在强磁场下的特性，观测到了单层石墨烯中的斯格明子态以及石墨烯朗道能级部分填充时的自旋态和谷态相变。这项研究让他掌握了电容测量和输运测量的手段，这为后来首次观察双层和三层晶态石墨烯中复杂的磁性相变和超导态有很大帮助。
　　在中国科学技术大学少年班就读期间，周昊欣师从中国科学技术大学乔振华教授。后者对周昊欣曾经在中科大的表现历历在目，并给予其高度评价：他出色的表现有力地表明了，他有潜力成为凝聚态物理学领域的优秀研究者。
　　在美国加州大学圣巴巴拉分校攻读博士期间，周昊欣师从安德烈杨（AndreaYoung）教授，开展范德瓦尔斯异质结构领域的前沿研究。杨教授也对周昊欣的精彩表现给出了很高的评价，周昊欣是一个高度独立的科学家，他在理论上很，在实验上也很有决心，不惧怕挑战，能够做一些其他同样有经验但担心失败的人不愿意做的实验，我对他抱有极大的期望。
　　谈及未来的研究计划，周昊欣表示将会使用多种测量手段继续深入研究石墨烯强关联系统，希望能对晶态石墨烯具有铁磁和超导等新奇性质背后的机理有更为精准的认识，并期待这些扎实的理论研究可以为二维材料产业化应用铺路。
　　由于单层及多层晶态石墨烯具有电子迁移率高、栅极调制能力强和材料稳定性好等优良特性，因此人们对其作为未来高性集成电路的构成材料寄予厚望。周昊欣的研究结果证实，晶态石墨烯在具有上述优良特性的同时，还是一种强关联电子材料，可以在其上诱导出铁磁和超导等状态，这大大扩展了晶态石墨烯的应用潜力。
　　周昊欣最后表示：我相信我们的研究会推动未来微电子产业的发展。
　　参考资料：
　　1。Zhou，H。，Xie，T。，Ghazaryan，A。etal。Halfandquartermetalsinrhombohedraltrilayergraphene。Nature598，429433（2021）。https：doi。org10。1038s4158602103938w
　　2。Zhou，H。，Xie，T。，Taniguchi，T。etal。Superconductivityinrhombohedraltrilayergraphene。Nature598，434438（2021）。https：doi。org10。1038s41586021039260
　　3。Zhou，H。，HollelsL。，SaitoY。etal。IsospinmagnetismandspinpolarizedsuperconductivityinBernalbilayergraphene。Science375，6582，774778（2022）。https：www。science。orgdoi10。1126science。abm8386