讀博2年樣品都做不出！這位“普通男孩”收獲首個重要成果

文 ｜《中國科學報》記者 沈春蕾

“我本科成績不是很理想，不能直接申請出國讀博。如今博士研究生即將畢業，還沒有定好去哪里。”從浙江大學到北京大學，再到美國俄亥俄州立大學，田海東稱自己是一個走一步看一步的人。

就是這樣一個覺得自己很普通的男孩，卻十分癡迷于物理實驗。他在實驗中發現，當兩層石墨烯偏轉到某個精確角度時，可以變為超導體，并且證明量子幾何在其中發揮了關鍵作用。2月15日，這項研究在Nature發表，這也是田海東擔綱一作的第一篇Nature論文。

“我在開始讀博的兩年時間里沒有任何進展，那時連扭曲石墨烯的小角度都做不出來。”田海東并沒有就此放棄，一門心思鉆研如何改進樣品的制備方法，在著魔般追求石墨烯偏轉角度的同時，他也收獲了自己科研路上的第一個成果。

遇到“魔角”

偏轉的雙層石墨烯器件 受訪者供圖（下同）

石墨烯是近年來材料領域的研究熱門。它是一種?由碳原子構成?的單層片狀結?構的新材料。

2018年，麻省理工學院的研究團隊發現，在適當條件下，如果將一層石墨烯放置在另一層石墨烯上，并將這兩層石墨烯偏轉到特定角度——1.08°時，就會出現神奇的超導現象，可以無損耗地傳輸電能。

從那以后，這個角度也被稱為“魔角”。研究人員開始研究這種偏轉的雙層石墨烯，并試圖弄清楚“魔角”是如何工作的。

2019年，田海東所在研究團隊在Science Advance上發表了他們的研究成果，發現超導現象在0.93°轉角的樣品中依然存在。“這個轉角要比理論上預測的‘魔角’小15%。”田海東介紹，“我們團隊率先在實驗中發現，轉角對超導的限制相對來說沒有那么嚴苛。”

在Nature這項研究之初，田海東在制備樣品時就被卡住了，他不能很好地控制偏轉角度。而這項研究對轉角的精確控制程度要求非常高，在此前提下，才能進一步探討扭曲石墨烯在轉角非常接近“魔角”時的輸運性質。

從不能控制轉角到精確控制轉角，對田海東來說并非偶然，而是付出無數次堅持與努力的結果。

在理論上，當轉角為“魔角”時，電子運動速度為0；當轉角稍微偏離“魔角”0.02°時，電子運動速度就會達到5000米/秒。“由此可見，電子運動速度對轉角是極為敏感的。”田海東說。

田海東稱自己很幸運地制備了一個樣品，其電子的運動速度大約為1000米/秒，并通過實驗觀測到量子幾何對超導的貢獻。

為什么要引入量子幾何？田海東解釋道：“我們制備的樣品非常接近‘魔角’，按照凝聚態物理學標準，電子運動幾乎被阻止，但該樣品還是顯示出了超導性。對此，我們不能用電子的速度來解釋扭曲的雙層石墨烯是如何工作的，不得不使用量子幾何。”

田海東

誤差與運氣

石墨烯樣品的轉角在接近“魔角”的同時，還要有更高的質量，這是實驗的一個難點。

“轉角對‘魔角’的偏離是隨機的，并且無法在現有實驗條件下消除。”田海東告訴《中國科學報》，“我們只能通過不斷摸索和改進樣品制備工藝，將誤差降低到0.1°左右，而小于0.02°的誤差就真的需要好運氣了。”

好運氣不會從天而降。實驗進展緩慢曾給田海東帶來很大的心理壓力，導師劉津寧（Chun Ning Lau）教授幫他聯系到一位從組里畢業的師兄，來向他傳授經驗，讓他可以把心思完全放在改進樣品制備方法上。田海東從不必要的精神內耗上脫離出來，慢慢地做出來的樣品也越來越好。

在之前大部分“魔角”石墨烯的研究中，能觀測到超導現象都是非常有挑戰性的工作；而要觀測到量子幾何對超導的貢獻，更是難上加難，因為需要把電子運動的速度降下來。

為此，田海東在實驗中不僅展示了慢速運動的電子，還給出了比之前研究更精確的電子運動測量。

這項研究最大的亮點是，當電子運動速度極低時，存在超導和輸運現象。然而，這有悖于傳統上對超導和輸運的理解，因為移動如此之慢的電子，本來應該不能導電。

“上述亮點也是我們投稿Nature的原因，我們的發現更偏重基礎性，尤其可以加深對高溫超導機制的理解。”田海東說，“在審稿過程中，審稿人提出要求驗證極低電子速度在平帶中存在的合理性，這也在后續制備的樣品中得到了驗證。”

在投稿后快一年時間的修改中，田海東發現，如何跟編輯和審稿人進行有效的溝通，也是一門很講究的學問，需要不斷的學習和改進。

田海東做實驗中

羽翼未豐

談及自己的求學之路，田海東有點慚愧地告訴《中國科學報》：“在浙江大學讀本科期間，我沒有想過以后自己要做什么。”

本科臨近尾聲，田海東選擇考研。在北京大學物理學院讀碩期間，他獲得了北京大學20152016學年國家獎學金，也堅定了自己學習物理的決心。

2017年，田海東來到俄亥俄州立大學攻讀博士學位，恰逢劉津寧和Marc Bockrath兩位教授的團隊剛被從加州大學河濱分校挖過來，實驗室都沒有搭建好。

入學后，俄亥俄州立大學物理學院組織了由Jonathan Pelz主持的對每一位新同學選擇導師的指導。“Jonathan Pelz教授獲知我希望從事有關二維材料的凝聚態物理實驗研究工作后，力薦了劉津寧教授和Marc Bockrath教授。”田海東回憶道，自己在2017年11月加入了劉津寧的團隊。

在田海東眼里，二維材料是凝聚態實驗一個非常活躍的分支，很多有趣的物理研究都是在二維材料這個平臺上進行的。

“不僅可以從事自己喜歡的研究，還遇到一位可以幫忙聯系推動實驗室的導師，在學術上嚴格要求，又在生活上給予關心。”田海東表示，通過劉津寧的言傳身教，自己逐漸適應象牙塔內外的工作和生活。

“我就是一個普通的學生，跟國內外優秀學子還有一些差距，不管是文章，還是理論知識儲備都需要積累。”談及未來，田海東稱自己還沒有仔細規劃過，現在需要做的是努力讓自己的羽翼豐滿起來，才有資格應對接下來的機遇和挑戰。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586022055762