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蛰伏七年,一天发两篇Nature!首次发现石墨烯的神奇特性 专访

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DeepTech深科技 2021-09-15 19:22

他是 “天才少年” 曹原是师兄弟,本科毕业于中科大少年班学院实验班,曾连续几年未发论文,如今一日之内就在Nature背靠背连发两篇石墨烯相关论文。

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图 | 论文《菱面体三层石墨烯中的超导性》和论文《菱面体三层石墨烯中的半金属和四价金属》(来源:Nature)

提到同时发布到 Nature 正刊的原因,周昊欣说告诉 DeepTech,他和团队首次在不引入超晶格或不加任何其他外界干扰的情况下,在本征石墨烯体系中观察到关联电子磁性和超导的神奇性质。成果意义相对重大,这也是能发在顶刊的主要原因。

图 | 周昊欣(来源:受访者)

揭示摩尔材料的磁性在本质上是迁移电子导致的

周昊欣告诉 DeepTech,《菱面体三层石墨烯中的半金属和四分之一金属》(Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene)这篇论文的主要研究了菱面体三层石墨烯中范霍夫奇点引发的费米面不稳定性及其导致的关联电子磁性。

(来源:Nature)

利用电容和输运测量,周昊欣和团队观察到对载流子浓度和电位移场的调节可以引发一系列的相变,量子振荡测量表明这些相中的电子具有有四重、二重或一重的简并度,分别对应于自旋和谷简并的 “金属态”、自旋极化的 “半金属态”,及自旋和谷极化的 “四分之一金属态”。

在导带中,主要的实验结果可以用包含各向异性相互作用的唯象斯通纳模型很好地描述。在价带中,周昊欣和团队观察到一个更复杂的相图,它是由磁性相变和费米面拓扑性质的改变共同导致的。

最后,周昊欣通过对齐三层石墨烯和六方氮化硼衬底的晶格方向引入莫尔超晶格。

(来源:Nature)

值得注意的是,周昊欣和团队发现在这一体系中超晶格仅会对同位旋的相图产生微扰,当迁移的的半金属或四分之一金属态所对应的载流子浓度刚好可以填满超晶格能带的二分之一和四分之一时,莫尔势就会导致关联电子绝缘态的形成。

这项工作表明,菱面体三层石墨烯是一个研究关联电子理论的理想平台,同时揭示了摩尔材料的磁性本质上是由迁移电子导致的。

他告诉 DeepTech,第一篇论文主要讲的是在相关体系中,通过对它的载流子(音)浓度和电场的调控,来从一个普通的物态(音)变成一个铁磁性的物态。研究中,他还对测量到的相图做了全面分析,然后所研究的对象其中有磁性,然后通过一个理论模型和相图(音)作比较,从而对相吐做以全面了解,整体上做得比较全面和系统。

(来源:Nature)

事实上,这两篇论文研究相同的体系,但侧重的现象不同。

观察到超导现象,并讨论了可能的超导机制

关于《菱面体三层石墨烯中的超导性》(Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene)这篇论文,他表示该研究是首次在本征石墨烯这个相对简单的电子系统中观察到超导现象,并对超导产生的机制作了讨论。

(来源:Nature)

他在论文中表示,近年来,在石墨烯摩尔异质结构中实现了超导性,但其中许多结构在机械上并不稳定,实验显示了强无序的特征。

研究中,他报道了在晶体菱形三层石墨烯中,临界温度之下电阻变为零的超导现象。

超导性发生在载流子浓度 - 电位移场相空间中两个不同的区域(分别命名为 SC1 和 SC2),并表明在金属态中的电子的平均自由程远大于超导态的相干长度。

(来源:Nature)

通过对正常态费米表面的量子震荡测量,可以发现这两种超导态都处于具有环形费米海的简并相中,并且临近同位旋对称破缺的相。

SC1 出现在一个顺磁的正常态中,而 SC2 则出现在一个自旋极化、谷简并的半金属态中,违反了面内磁场的泡利极限至少一个数量级。

期间,周昊欣和团队讨论了导致超导的各种可能的机制,包括传统的声子介导配对,由同位旋序涨落产生的配对,以及环形费米液体不稳定性导致的电子配对。

(来源:Nature)

他在一个高度有序且结构简单的二维金属中观察超导现象,这为研究超导的产生机制提供了一个理想的模型。

最后,周昊欣阐述了这里报道的超导性和在菱面体石墨烯超晶格中观察到的超导性之间的可能关系。

在后者中,摩尔势只会对在微扰的层面改变三层石墨烯的电子性质, 其中所观察到的超导很可能对应于本征三层石墨烯中的 SC2。

与菱面体三层石墨烯相比,转角双层和三层石墨烯具有不同的微观对称性;然而,它们与 RTG 有几个共同的特征,包括大的态密度和同位旋对称性的破缺。

故此,他推测在所有石墨烯系统中观察到的超导性均具有相同的产生机制。

他告诉 DeepTech, 石墨烯是一个高度有序且有很大的调制自由度的电子系统。对其中关联电子现象的建模相对容易,这对完善现有的磁性以及超导的一般理论有很大的意义。与石墨烯相比,很多常见超导材料结构一般相对复杂且高度无序,对它们的理论研究也更困难一些。

至于连续在 Nature 发表两篇论文,周昊欣坦言,最开始提交的是主题为铁磁半金属的那篇论文,在审稿期间才观察到超导现象,最终以两篇文章分别发表的形式进行。

谈及和曹原的不同,他表示自己和曹原的研究方向和测量手段都非常接近,只是具体研究的体系不同。

生于 1992 年,受父亲启蒙爱上物理

2021 年 8 月,周昊欣刚从加州大学圣巴巴拉分校物理系毕业,目前在加州理工学院做博后研究。

博士期间,周昊欣师从安德里亚·杨(Andrea Young),这位导师几乎和他同时来到加州大学圣芭芭拉分校,但在短短几年内已经发展成很大的课题组。

在加州理工学院做博后期间,他师从 Stevan Nadj-Perge,这位年轻的导师利用扫描隧道显微术和电子输运实验中在二维材料领域同样做出了许多重要的成果。

周昊欣生于 1992 年,来自内蒙古省包头市。之所以对物理感兴趣,原因之一也在于家庭影响。小时候周昊欣爸爸做机械相关工作,从小就带他去工厂认识汽车和零部件。

不过他表示自己并非和曹原一样毕业于中科大少年班,而是本科就读于少年班学院下面一个理科实验班。在此之前,正常参加的高考,并没有跳级或提前进入大学。但是在进入本科之后,第一年可以自由选专业,最终他选择了物理学专业。

他告诉 DeepTech,在中国科大读书时,老师比较重视基础教育,平时的课程、作业、考试都要求比较高。经过这样的训练之后,不管天赋如何,可能都会在基础物理知识方面取得较大进步。期间,他还加入了一个二维材料的理论计算组,正是在该实验室,他第一次接触到石墨烯领域,并开始产生兴趣。

当下,他仍然在研究二维材料在低温下的电子性质,不过测量手段转为扫描隧道显微术。

目前已发表 8 篇论文,其中有 3 篇担任第一作者,虽然不算多,但发表的期刊都不错,比如 Science、Physical Review Letters 等。合并一起博后出站之后,优先考虑在学术圈做研究,但也不排除其他可能性。

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