作者:韩扬眉 李思辉 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/10 15:31:10
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一个“备胎”课题登上Science,他们说“氛围”很重要

 

许杨也没想到,一开始自己并不看好的课题能够开花结果。

6月30日,距离许杨回国恰好两年半,许杨带着他的第一位博士生胡倩颖,与合作者在Science上发表了一项最新研究成果。

他们打破了传统“极低温、超高真空、强激光”等苛刻的实验条件,在较为常规的条件下“捕捉”并“操纵”了一种准粒子——里德堡激子。在准粒子世界中,里德堡激子不仅具有“绿巨人”般的身材,还具有相当的超强力量,有可能被应用于量子计算和量子模拟等研究领域。

里德堡激子是一种并不常被提及的准粒子。3年前,许杨还在康奈尔大学做博士后时,意识到了它的存在,及其有望成为观测和研究量子世界的重要工具,便开始了不断的探索,如今终于实现了将其“牢牢抓住”,而只有“抓住”,才有可能为实现更大的应用价值发挥作用。

在过去的9年间,许杨在低维电子体系中的新奇物性的研究中已是硕果累累:他以第一作者/通讯作者身份发表了1篇Nature正刊,5篇Nature子刊,以及《物理评论快报》PRL和PRX等。

2020年12月,许杨加入中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室,任特聘研究员。接受《中国科学报》采访时,许杨说,“独立”做研究、“自由”的氛围,让他迅速成长为独立PI,在感兴趣的领域里发挥自身特长。

一次“无心插柳”

今年2月15日,许杨向Science投稿,4月6日便受到了审稿人和编辑的反馈,提了一些细节问题,并给了6周修改时间。再次投送论文后的一周,就收到了“接收”的邮件。

对于高水平期刊大多2-3轮审稿、每次3个月的修改时间来说,这个速度让许杨感到吃惊,也让胡倩颖猝不及防。

毕竟,这个课题一开始只是个“备胎”,他们都觉得“不是重点”。

2021年春天,还在南开大学读研究生的胡倩颖来到了许杨课题组联合培养,一年后,她考上了中国科学院物理研究所博士生,成为许杨的第一位博士生。胡倩颖当时的重心在单层黑磷的研究,但许久都没有结果,做起来很吃力,心情也很郁闷。

“里德堡探测是之前许老师一直做的研究,我很感兴趣,而且这个课题相对比较稳妥,我想两个课题‘搭’着同时做。”胡倩颖向导师诉说了自己的想法,也得到了同意。

事实上,过去几年里,许杨与合作者发展了一套光学“里德堡激子探测”的方法。此外,近年来,由两个单原子层的石墨烯相互扭转叠加而成的转角石墨烯因其独特的物理性质,被许多科学家关注,他们用各种方法寻找转角石墨烯的量子物态。

“这些发现大多基于电学方法,光学探测具有更高空间分辨率,我们想用光学的方法去对转角石墨烯中的量子物态做一些验证。”许杨告诉《中国科学报》,虽然没有多大意义,但总归也没有坏处。

那时,许杨刚回国不久,实验仪器尚未搭建好,实验室也正在建设中,各方面条件都不是很方便,所幸中科院物理所具有良好的合作氛围,他们便借用了极端条件物理重点实验室研究员张清明的实验仪器开展验证。

然而,没过多久,他们得知张清明实验室很快就要“搬家”了。

“当时离测量只有一周时间,我知道我不可能在这一周之内把单层黑磷样品做出来,但我可以把转角石墨烯样品做出来。”胡倩颖说,“错过这一次测试样品机会,下一次就是半年后等自己的实验室建成后了。”

一周内,她做了5个转角石墨烯与单层二硒化钨的异质结样品,测量期间又做了几个,一次同时下杆4个样品,用满样品座上的全部空间来节省测量时间。

与预期一致地,他们大角度转角石墨烯和魔角石墨烯的样品进行中发现,二硒化钨的光谱信号由“里德堡激子探测”机制主导,主要反映了介电函数的变化,例如在魔角石墨烯的样品中探测到的一系列对称性破缺的关联电子物态。

意外地是,在另一些样品中,电脑屏幕上出现了异常的呈“波浪形”的光谱。在她制备的第8个,也就是那次测量的最后一个样品中,他们测到了这种“波浪”的角度依赖,确认了这绝不是偶然差错造成的假象,它背后一定有真实的物理机制存在。

“非常漂亮,但不清楚究竟是怎么回事。”师生两人多次讨论也未果。

理论与实验的完美合作

别人的实验室搬走了,自家的实验室还未建成,实验停了半年,而他们对“异常”数据的思考从未停止。

半年后,自家的仪器来了,胡倩颖在许杨的指导下,制备了更多的器件样品,再一次进行实验,同样的图像再一次出现了。

在大约0.6度的小角度的转角石墨烯样品中,里德堡激子态随栅压调控,表现出显著的非单调的红移现象,能量最低处已经极其接近基态激子。他们将这个现象命名为“里德堡莫尔激子态”。

“正常情况下,比如大角度的转角石墨烯,随着栅压掺杂,它的能量应该是一个单调的减小。”胡倩颖说。

经过一年的探索,他们对这种现象的来源有了一些初步的猜测,于是找到武汉大学教授袁声军团队,结合其新发展的实空间大尺度计算物理方法进行理论分析。

袁声军告诉《中国科学报》,转角石墨烯体系的计算难度很大,相对于以往类似研究的计算量提高了数个数量级。他们利用自主发展的大尺度计算物理方法,对包含多达近千万原子的超大体系进行了精确的电子结构计算,发现莫尔超晶格中的空间电荷分布,对这一实验现象的产生起到了关键作用。

“当时我们最不能理解的是它非单调红移现象的来源,这个问题在算出空间电荷分布后还是没有搞懂,因为实空间的电荷分布似乎也是单调的。”胡倩颖说,“我们非常频繁的讨论,依旧没有结果,感觉做梦都在想这个问题。直到有一天,我5点就醒了,躺床上想了一个小时突然找到了答案。虽然当时详细的电荷分布还没算出来,只有态密度的数据,但我看着寝室的天花板,我知道这次一定猜对了”。

一个月之后,0.6度转角石墨烯的空间电荷分布结果出来了。

胡倩颖表示,单独看某一个区域,电荷密度的增长的确是单调的,但只要将电荷密度最高与最低的区域做一个减法,一条再熟悉不过的非单调曲线就会浮现在眼前,与实验几乎完全吻合。这是里德堡激子中的电荷在空间上分别处在不同堆叠区域造成的直接结果。

在该体系中,转角石墨烯中产生的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——有高地、有低洼坑地,正如水往低处流,里德堡激子的其中一个电荷也会一个个地跳到洼地去,而当它们“掉坑”里时便被“囚禁”了,也就意味着科学家“抓住”了里德堡激子。

“一直以来,里德堡激子态与周围介电层的层间相互作用较弱,如何对里德堡激子进行调控形成强相互作用以及实现空间囚禁,是迫切需要解决的问题。”许杨说。

如今回想起来,许杨甚至有些“余悸”,他笑着说,“这个领域竞争非常激烈,国际上被公认为领域内最好的研究组,也在同时做这件事,我们投稿后的一个月,他们在预印本网站上公布了他们的研究结果,如果我们再晚一步,可能就没我们什么事儿了。”

“绿巨人”不好操纵

里德堡激子,被称作激子界的“巨人”,它有着许多优势特性,比如可以在半导体里自由移动、能够对周围环境的改变产生较大的响应等。

第一次在固态体系中“捕捉”到里德堡激子,也是被Science编辑部青睐的关键。

就像电影《绿巨人》中所演绎的,假设了人受到强力辐射后,诱发身体里的神秘力量,变为拥有超强力量的绿巨人。这种现实中很难实现的事情,在固体中可以通过构造精妙的材料来实现。

这一研究开辟了新的研究路线,有着重要的意义。里德堡莫尔激子态的实验发现,系统地展示了对于里德堡激子的可控调节以及空间束缚,为实现基于固态体系中里德堡态在量子科学和技术等方向上的应用提供了一条潜在的途径。

这是许杨回国,成为独立PI后的又一篇重要研究结果。

在他看来,自由探索研究的大突破,很难在前期有设计,大多来自“意外”的发现之后,不断思考,再挖掘背后的机理。

事实上,这也是里德堡莫尔激子研究中最困难的地方,它并非是实验中测到即发现,而是在漫长的探索中一层层揭开神秘的面纱。

“它需要对数据进行详细分析,不断地与不同的合作者讨论交流,发现与一些物理机制产生关联,才能产生真正有价值的科学发现。”

许杨和团队成果频出,离不开一直以来的“自由”氛围。

“许老师允许他们做自己感兴趣的研究,而非强加课题。”胡倩颖说,在环境上也给了他们很大的“包容”,我家住天津,每周末都可以离开实验室回家,他也从不要求“加班”熬夜,氛围轻松不紧张......“这次的成果就是在自由宽松的环境下,对大自然最纯粹的好奇心的奖励。”

“许老师很努力,也很好沟通,有事儿跟我们一起干。”胡倩颖谈到选择年轻老师作为导师的初衷时说,实验室从装修到搭建仪器,他从不会当一个“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进行培养,给予了充分的发展空间,鼓励他独立做科研。

“在自己感兴趣的领域里深耕,才能够更大程度的发挥自己的特长。”许杨说。

 

许杨课题组成员(受访者供图)

许杨(左)与胡倩颖(右)(受访者供图)


相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.adh1506

 
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