導(dǎo)師訪談：曹原是如何扭成的

skysun000001 2022-04-04

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交流學(xué)術(shù)，偶爾風(fēng)月

2018年3月6日，Nature背靠背連刊兩文，報(bào)道了魔角扭曲雙層石墨烯的重大發(fā)現(xiàn)。其第一作者，正是學(xué)界的少年新星曹原。該研究的巨大影響力，令曹原直接被列入Nature當(dāng)年評(píng)選的十大科學(xué)人物。本次，NSR邀請(qǐng)到了兩位魔角石墨烯領(lǐng)域的頂級(jí)專家進(jìn)行訪談，他們分別是麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Pablo Jarillo-Herrero，以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論物理學(xué)家Allan MacDonald。其中Jarillo-Herrero正是曹原的導(dǎo)師，他高度評(píng)價(jià)了曹原的成就，稱“從他身上學(xué)到的東西和他從我身上學(xué)到的東西一樣多”，而本篇也將圍繞魔角扭曲雙層石墨烯，來談?wù)劜茉侨绾巍迸こ傻摹啊?/span>

背景介紹

石墨烯是石墨的組成部分，由一個(gè)碳原子與周圍三個(gè)鄰近碳原子結(jié)合形成，它是含有六邊蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳原子單層，厚度等同于一個(gè)碳原子。單層石墨烯的存在已被預(yù)測(cè)幾十年，也曾在其他材料表面成功生長(zhǎng)，但學(xué)界對(duì)石墨烯研究興趣的爆發(fā)卻是在2004年，因?yàn)樵撃耆藗儾攀状伟l(fā)現(xiàn)石墨烯可以通過機(jī)械方式從石墨薄片中分離出來（機(jī)械剝離法）。

石墨烯經(jīng)常被描述為一種透明、導(dǎo)電性優(yōu)良又極其柔韌的神奇材料。但有人感興趣一些更根本的問題。作為二維導(dǎo)體材料，石墨烯表現(xiàn)出異乎尋常的電子特性、磁特性，在量子限制效應(yīng)、電子間相互作用等方面有巨大研究?jī)r(jià)值，在電子元件、設(shè)備等領(lǐng)域有著應(yīng)用前景。2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予給了英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim 和 Konstantin Novoselov兩位教授，表彰他們?cè)谑┭芯款I(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。

當(dāng)兩個(gè)石墨烯片層足夠靠近以發(fā)生相互作用時(shí)，其奇妙特性會(huì)進(jìn)一步放大。尤其引人注目的是，石墨烯表現(xiàn)出的電子特性可能取決于石墨烯片層的相對(duì)角度，即兩層蜂窩網(wǎng)狀晶格之間的的對(duì)齊程度。堆疊在一起的兩個(gè)蜂窩網(wǎng)狀晶格可能會(huì)產(chǎn)生一種“超晶格”結(jié)構(gòu)：晶格間在某些特定角度配合后呈現(xiàn)出的規(guī)律性更為顯著，甚至強(qiáng)于晶格間距所帶來的影響。這就是人們所熟知的“莫爾效應(yīng)”——從遠(yuǎn)處看兩個(gè)間隔很近的網(wǎng)格狀柵格時(shí)就能觀察到這種光學(xué)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)探索這種“扭曲雙層石墨烯(twisted bilayer graphene,TBG)”的電子特性要求能夠精確地控制兩個(gè)石墨烯片層的位置和角度。這些現(xiàn)象現(xiàn)在也被認(rèn)為普遍存在于其他二維材料中，例如六方氮化硼(h.BN)片。這些研究開辟了凝聚態(tài)物理研究的一方沃土，而某些特定的扭轉(zhuǎn)角度的“魔角雙層石墨烯(magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG)”，其表現(xiàn)出的神奇電子特性則更是引人入勝。

Pablo Jarillo-Herrero的小組率先制造了魔角石墨烯材料

Allan MacDonald是最先理論預(yù)測(cè)魔角存在的科學(xué)家之一

NSR：是怎樣在扭曲雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)異常電子行為的？這些效應(yīng)在發(fā)現(xiàn)之前是否曾被理論預(yù)測(cè)過？

PJ-H：從2007年左右就有許多理論小組開始研究扭曲雙層石墨烯。到了2009年底，Eva Andrei的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了使用掃描隧道顯微鏡(STM)對(duì)扭曲雙層石墨烯的研究[G. Li et al., Nat Phys 2010; 6: 109]。他們觀察到數(shù)據(jù)中的峰值似乎在隨著扭轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，而該峰值被視作是范霍夫奇點(diǎn)(van Hove Singularities)的電子結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的特征（范霍夫奇異峰）。特別是，對(duì)于1.16°左右的扭轉(zhuǎn)角，兩個(gè)范霍夫峰的峰間距接近于零。大約同一時(shí)間，另兩個(gè)小組在極小角度下研究了扭曲雙層石墨烯：智利的Eric Suárez Morell團(tuán)隊(duì)[E. S. Morell et al., Phys Rev B 2010; 82: 121407]和美國(guó)Rafi Bistritzer與Allan MacDonald的團(tuán)隊(duì)[R. Bistritzer and A. MacDonald, Proc Natl Acad Sci USA 2011; 108: 12233]。兩個(gè)小組都預(yù)測(cè)了扭曲雙層石墨烯在1.1至1.5°的角度存在扁平電子帶。Bistritzer和MacDonald創(chuàng)造了“魔角”一詞，指費(fèi)米能級(jí)的電子速度變?yōu)榱銜r(shí)的角度（費(fèi)米能級(jí)是絕對(duì)零度下電子所能夠占據(jù)的最高能級(jí)）。

我們團(tuán)隊(duì)在2010年左右開始研究扭曲雙層石墨烯。2016 年，我們發(fā)現(xiàn)扭曲角為 1.8° 的扭曲雙層石墨烯已經(jīng)對(duì)電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有趣的影響——費(fèi)米能級(jí)的電子速度大大降低了,這與理論計(jì)算的相一致[Y. Cao et al., Phys Rev Lett 2016; 117: 116804]。這就是促使我們繼續(xù)致力于減小扭轉(zhuǎn)角，并研發(fā)扭轉(zhuǎn)角接近1.1°的設(shè)備的原因。2017年，我們成功制造了幾款扭轉(zhuǎn)角在1到1.2°范圍內(nèi)的儀器。透過這些器件，我們有了兩個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)。首先，當(dāng)電荷密度被調(diào)制到每個(gè)莫爾晶格中的特定電子數(shù)或空穴數(shù)時(shí)，魔角石墨烯會(huì)因某種效應(yīng)而成為絕緣體[Y. Cao et al., Nature 2018; 556: 80]；其次，如果你對(duì)材料進(jìn)行摻雜，從而增加一點(diǎn)額外電荷密度，那么魔角石墨烯就會(huì)成為一種可被電場(chǎng)調(diào)控的超導(dǎo)體，并獲得最高的臨界溫度與費(fèi)米溫度之比 [Y. Cao et al., Nature 2018; 556: 43]。這些特性令人聯(lián)想到其他強(qiáng)相關(guān)量子材料和超導(dǎo)體。但現(xiàn)在，我們想獲得同樣的結(jié)果卻如此簡(jiǎn)單——只需將兩層石墨烯旋轉(zhuǎn)到一個(gè)精確的角度，并且具有如此程度的可調(diào)控性。這也是我們的發(fā)現(xiàn)引起廣泛關(guān)注的關(guān)鍵原因之一。但這些發(fā)現(xiàn)完全是意料之外的，也并非理論預(yù)測(cè)。

AM：“我對(duì)歷史的理解，超越到學(xué)術(shù)出版物之外”，這句話來自Eva Andrei的文章。Eva是第一個(gè)測(cè)量到電子結(jié)構(gòu)神奇變化的人，她發(fā)現(xiàn)了意外產(chǎn)生莫爾效應(yīng)的雙層石墨烯片層在STM態(tài)密度測(cè)量中的特征。Eva告訴我，觀察是第一位的，它激發(fā)了Antonio Castro-Neto和Jo?o Lopes dos Santos的理論。

我對(duì)石墨烯莫爾超晶格的興趣，始于與佐治亞理工學(xué)院的 Ed Conrad的一次談話。他向我展示了一些角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)，我無法參透。當(dāng)我的博士后Rafi Bistritzer和我著手進(jìn)行演算時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果顯示：石墨烯電子的速度會(huì)在一組離散的扭轉(zhuǎn)角處下降為零。我們把這些角度稱之為魔角，最大的魔角約為1°。這對(duì)我們來說完全是一個(gè)驚喜，我們立即意識(shí)到這意味著一個(gè)強(qiáng)相互作用電子的前景無限的平臺(tái)。一段時(shí)間后我們注意到，智利的一個(gè)研究小組也獨(dú)立地開啟了魔角物理學(xué)的一些微光。但我們那時(shí)尚不清楚，是否有實(shí)驗(yàn)者能夠在可控扭曲角的條件下建立樣本來觀察這種物理現(xiàn)象。我的同事Emanuel Tutuc在這個(gè)方向上做了很多工作，為Pablo工作的開展提供了部分信息。

NSR：是什么促使你研究該系統(tǒng)？現(xiàn)在看來，它成為了以可控方式觀察電子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的勝地——這一結(jié)果是預(yù)期之中，還是出人意料？

PJ-H：最初我研究扭曲雙層石墨烯的動(dòng)機(jī)是直覺，凝聚態(tài)物理中的這個(gè)“新旋鈕”，即改變扭曲角極可能帶來有趣的物理現(xiàn)象。凝聚態(tài)物理學(xué)中的系統(tǒng)通常很復(fù)雜，在探索未知領(lǐng)域時(shí)常有意外收獲。單就魔角石墨烯而言，我的動(dòng)機(jī)是找到有趣的關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)。我認(rèn)為當(dāng)石墨烯中的費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)到范霍夫奇點(diǎn)時(shí)，關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)可能會(huì)展現(xiàn)。[NSR：當(dāng)費(fèi)米能量接近這種奇點(diǎn)時(shí)，已經(jīng)觀察到新的電子相，例如超導(dǎo)性。] 我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了絕緣態(tài)——但令我們驚訝的是它們是完全不同的類型。絕緣行為發(fā)生于每個(gè)莫爾晶胞的整數(shù)個(gè)電子，而非因?yàn)榉痘舴蚱纥c(diǎn)。這是個(gè)巨大驚喜。而更大的驚喜是超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)，這更是無人預(yù)料。

AM：我們最初關(guān)于魔角效應(yīng)理論的發(fā)現(xiàn)，并不符合早期實(shí)驗(yàn)的預(yù)期，因此，我們?cè)诎l(fā)表文章時(shí)很不順利，因?yàn)閷徃迦苏J(rèn)為我們肯定錯(cuò)了。巧的是，那時(shí)我正好當(dāng)選美國(guó)科學(xué)院院士，我被允許在PNAS發(fā)一篇就任文章，評(píng)議很寬松。所以我決定，放棄與審稿人的拉鋸戰(zhàn)，以直接在PNAS上發(fā)表了我們的發(fā)現(xiàn)。

在那篇論文之后，我試圖找到其他可以觀察到有趣莫爾超晶格現(xiàn)象的案例。我提出了實(shí)現(xiàn)拓?fù)浼ぷ訋У目赡苄?span>[F. Wu et al., Phys Rev Lett 2017; 118: 147401] 以及許多與光學(xué)特性相關(guān)的建議。我還提出，與石墨烯結(jié)構(gòu)相比，層狀過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 的莫爾系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生完全不同的物理特性。莫爾領(lǐng)域的這一部分研究現(xiàn)在也已真正開始付諸實(shí)驗(yàn)了。

新物理的樂土

NSR：從絕緣體到超導(dǎo)體再到磁性材料，這些石墨烯系統(tǒng)產(chǎn)生的電子狀態(tài)似乎十分多樣。產(chǎn)生如此多樣態(tài)的物理學(xué)基礎(chǔ)是什么，又有哪些關(guān)鍵因素決定了這些性質(zhì)？

PJ-H：我們?nèi)栽谂θ娴亓私膺@些系統(tǒng)。但是您的基本觀察是正確的——魔角石墨烯以及現(xiàn)在的其他幾個(gè)莫爾系統(tǒng)，表現(xiàn)出一組非常豐富的關(guān)聯(lián)行為。起源似乎是因?yàn)檫@些系統(tǒng)都具有狹窄的電子帶（意味著電子的動(dòng)能非常?。?，因此電子之間的相互作用能起著主導(dǎo)作用。一旦電子之間有很強(qiáng)的相互作用，那么可能的多體基態(tài)（例如超導(dǎo)性、相關(guān)絕緣體、磁性等）就成為可能。我們能夠遍覽這些樣態(tài)，得歸功于莫爾系統(tǒng)的高度可調(diào)性。

AM：多層石墨烯中的強(qiáng)相關(guān)性和量子霍爾效應(yīng)中的強(qiáng)相關(guān)性之間有很多類比。Eslam Khalaf、Ashvin Vishwanath 和Mike Zaletel 等人的工作闡明了這種聯(lián)系。根本上它與電子能帶的拓?fù)涮匦杂嘘P(guān)。同時(shí)，這些系統(tǒng)具有準(zhǔn)二維Hubbard模型（強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系最簡(jiǎn)單的晶格模型之一）的特征。魔角石墨烯似乎是量子霍爾效應(yīng)和高溫超導(dǎo)性的結(jié)合，這是個(gè)了不起的系統(tǒng)。

NSR：你能解釋一下魔角效應(yīng)嗎？是什么讓石墨烯層在某些取向上表現(xiàn)得“特別”？

PJ-H：魔角效應(yīng)是一種“共振”狀態(tài)。這種魔角角度促成的電子結(jié)構(gòu)，使得電子穿越石墨烯層是如此的容易，就像為這些電子提供了通往另一石墨烯層的“直達(dá)隧道”一般。用更簡(jiǎn)單的話說，MATBG中電子多變行為的一個(gè)解釋是：當(dāng)電子具有巨大動(dòng)能（移動(dòng)得非?？欤r(shí)，它們幾乎“來不及”發(fā)生相互作用。但是在MATBG中，電子移動(dòng)緩慢，因此當(dāng)它們擦肩而過，會(huì)擁有更多機(jī)會(huì)發(fā)生相互作用。

NSR：該系統(tǒng)中絕緣、超導(dǎo)行為的相互作用似乎與在銅氧化物高溫超導(dǎo)電性中觀察到的作用情況接近。兩者間有近似的物理規(guī)律在起作用嗎？這些種行為是否會(huì)在實(shí)際上有助于我們了解此類材料中超導(dǎo)電性的緣起？

PJ-H：MATBG和銅酸鹽超導(dǎo)體的相圖確實(shí)有很多相似之處，但差異也不少，例如，其晶格對(duì)稱性和電子結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)就非常不同的。此外，銅酸鹽中的電子均為簡(jiǎn)并自旋，而MATBG中的自旋態(tài)則更加豐富。所以我們還不清楚對(duì)MATBG的了解是否有助于我們了解銅酸鹽中超導(dǎo)性的起源。雖然我直覺是會(huì)有幫助，但現(xiàn)在斷言還為時(shí)尚早。

AM：對(duì)于這些問題，我們還沒有完全自信的答案，但我們正在取得進(jìn)展。高溫超導(dǎo)體和MATBG系統(tǒng)之間有許多相似之處，其中磁序與費(fèi)米面重構(gòu)的臨界點(diǎn)是最有趣的。在我看來，通過進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)和理論場(chǎng)景測(cè)試，我們有可能會(huì)進(jìn)一步增進(jìn)對(duì)MATBG超導(dǎo)性的理解，并且進(jìn)展也會(huì)幫助我們理解高溫超導(dǎo)性的產(chǎn)生。通過原位調(diào)制電荷載流子密度或其他方式調(diào)制系統(tǒng)屬性的可能性（例如通過改變柵距、電介質(zhì)環(huán)境和平面磁場(chǎng)等）是 MATBG 的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

NSR：維度在此發(fā)揮的作用是什么？這些行為是否取決于“這是一個(gè)準(zhǔn)2D系統(tǒng)”的基本事實(shí)？這種行為是否與量子霍爾效應(yīng)等低維量子多體體系的研究有關(guān)？

PJ-H：維度非常重要，出于各種原因。其中部分為：MATBG因其二維幾何結(jié)構(gòu)而具有高度的電可調(diào)性；電子結(jié)構(gòu)（如電子態(tài)密度）取決于維度；相互作用效應(yīng)也可能強(qiáng)烈依賴于維度（例如電子屏蔽效應(yīng)在1D、2D 和 3D中是非常不同的）；至于量子霍爾物理，QHE 和 MATBG（以及其他幾個(gè)相關(guān)的莫爾系統(tǒng)）中的電子能帶本質(zhì)上都是拓?fù)涞?，這兩者之間有著深刻的聯(lián)系。這就是為什么后者可以表現(xiàn)出有趣的量子霍爾效應(yīng)，即使零磁場(chǎng)下亦是如此（與標(biāo)準(zhǔn)QHE不同）。

AM：電子關(guān)聯(lián)在低維度系統(tǒng)中往往更強(qiáng)，并且在更大范圍內(nèi)產(chǎn)生令人驚訝的多電子態(tài)，包括分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng) (FQHE) 系統(tǒng)、MATBG、雙層或三層石墨烯。QHE的拓?fù)鋱D構(gòu)成了MATBG和FQHE物理之間的聯(lián)系。這種聯(lián)系的一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明是MATBG中異常量子霍爾態(tài)（即沒有磁場(chǎng)的 QHE）的普遍出現(xiàn)。

挑戰(zhàn) 、應(yīng) 用、機(jī) 遇

NSR：如何通過實(shí)驗(yàn)研究這些系統(tǒng)？現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)單層石墨烯的生產(chǎn)已經(jīng)常規(guī)化了嗎？如何控制石墨烯片層的相對(duì)方向？

PJ-H：超高質(zhì)量單層石墨烯的生產(chǎn)已經(jīng)非常標(biāo)準(zhǔn)化，如石墨機(jī)械剝離法，全世界有數(shù)以千計(jì)的團(tuán)隊(duì)可以做到這一點(diǎn)。棘手的是以精確地控制旋轉(zhuǎn)角度并將兩個(gè)石墨烯片層堆疊一起，尤其是像魔角 1.1° 這樣的小角度就更加困難。目前全世界只有15個(gè)團(tuán)隊(duì)可以制造MATBG，但隊(duì)伍一直在壯大，因?yàn)樵摷夹g(shù)只要有人展示就易于學(xué)會(huì)。在新冠疫情之前，有很多小組來到MIT了解MATBG，而他們中的許多現(xiàn)在已經(jīng)復(fù)制并擴(kuò)展了我們的許多成果。

AM：已經(jīng)取得的成就令人驚嘆，但如果能夠開發(fā)出更精細(xì)地控制扭轉(zhuǎn)角的技術(shù)，并使扭轉(zhuǎn)角度分布更加均勻，這將加快該領(lǐng)域的進(jìn)步。

NSR：這些系統(tǒng)中還有哪些關(guān)鍵問題有待探索？對(duì)你個(gè)人而言，現(xiàn)在最渴望研究的是哪方面？

PJ-H：有待探索的關(guān)鍵問題還有許多。也許其中最重要的問題之一是超導(dǎo)性的確切機(jī)制和序參量對(duì)稱性?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)和理論似乎指向一種非常規(guī)的超導(dǎo)性起源機(jī)制（有些人認(rèn)為MATBG可能是一個(gè)非常特殊的參數(shù)狀態(tài)下的電子-聲子介導(dǎo)超導(dǎo)體，盡管并非人人都同意）。我們?nèi)匀恍枰敿?xì)地研究這一點(diǎn)。我個(gè)人非常期望發(fā)現(xiàn)和研究新的莫爾系統(tǒng)、新的超導(dǎo)體及其關(guān)聯(lián)拓?fù)湫袨?。?duì)于可以構(gòu)建的數(shù)百個(gè)可能莫爾系統(tǒng)，我認(rèn)為我們幾乎只是觸及了皮毛。這些系統(tǒng)間的構(gòu)成、幾何性質(zhì)和復(fù)雜狀態(tài)都不盡相同。

AM：我認(rèn)為確定MATBG中超導(dǎo)性的起源機(jī)制很重要。我正致力于研究這個(gè)問題。一個(gè)重要的期待是我們將能夠在 MATBG或過渡金屬二硫?qū)倩铮═MD）莫爾紋中實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)反常量子霍爾系統(tǒng)（也稱為分?jǐn)?shù)陳絕緣體），以展示量子反?；魻栃?yīng)。鑒于莫爾超晶格的靈活性，我們將很有可能發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)出有利條件。分?jǐn)?shù)量子霍爾（FQH）狀態(tài)也是拓?fù)淞孔佑?jì)算的可能研究對(duì)象之一。

NSR：對(duì)這些系統(tǒng)的探索似乎還存在著許多潛在的自由度。比如，現(xiàn)在一些研究興趣是打算將雙層系統(tǒng)擴(kuò)展到三層，這樣我們能夠預(yù)測(cè)或觀察到什么？再比如，使用氮化硼等其他二維材料構(gòu)成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)，又會(huì)給我們帶來什么收獲？

AM：我對(duì)找尋可以構(gòu)建新型莫爾超晶格的其他層狀材料非常感興趣，每項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都會(huì)帶來一個(gè)物理的新宇宙。在TMD和扭曲石墨烯莫爾系統(tǒng)的存在下，我們擁有了巡游電子鐵磁體系的案例——只是磁有序溫度相當(dāng)?shù)汀Ｕ覍ぬ岣哂行驕囟鹊姆椒?、探索其最終極限將非常有趣。由于莫爾超晶格系統(tǒng)可以通過多種方式調(diào)制，因此遠(yuǎn)景相對(duì)樂觀。這是制造人造可調(diào)諧晶體的全新范例，我們才觸及皮毛。我們會(huì)見證所發(fā)生的一切——這正是科學(xué)的魅力所在。

PJ-H：確實(shí)，可能性幾乎無窮無盡。就在今年稍早時(shí)候，Philip Kim的團(tuán)隊(duì)和我團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立在魔角扭曲三層石墨烯 (MATTG) 中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性。魔角略有不同（約為1.6°），該數(shù)據(jù)其實(shí)是幾年前理論上預(yù)測(cè)的，所以我們知道該向哪里行動(dòng)。事實(shí)證明，MATTG中的超導(dǎo)性比MATBG中的更令人感興趣，因?yàn)樗鼜?qiáng)大且可調(diào)性更高。而使用異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)確實(shí)可以帶來很多新東西，在雙層石墨烯/氮化硼莫爾系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng) (QAHE) 就是最早的例子之一。

NSR：更一般地說，MATBG系統(tǒng)體現(xiàn)了過去二十年來學(xué)界對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子研究興趣爆炸式的增長(zhǎng)，這催生了一眾量子材料發(fā)現(xiàn)，例如拓?fù)浣^緣體、馬約拉納零模、外爾半金屬等。是什么促使了研究興趣的爆發(fā)？是否有新的理論正在浮現(xiàn)，將物質(zhì)的量子、電子相態(tài)統(tǒng)一起來？又或者，我們其實(shí)仍相當(dāng)程度處于發(fā)現(xiàn)和驚異的階段？

PJ-H：凝聚態(tài)物理學(xué)在二十世紀(jì)80年代經(jīng)歷了兩次革命，分別是：發(fā)現(xiàn)整數(shù)/分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（將拓?fù)鋵W(xué)帶入該領(lǐng)域）和發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)性（將強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)推到了學(xué)科前沿）。從那時(shí)起，拓?fù)溲芯款I(lǐng)域和強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)并沒有被密切聯(lián)系在一起，因?yàn)轭I(lǐng)域完全不同。而2000年后，出現(xiàn)三個(gè)顛覆性發(fā)現(xiàn)：石墨烯和二維晶體材料的發(fā)現(xiàn)；理論預(yù)測(cè)并實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體；發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)高溫超導(dǎo)體家族，即鐵磷化物材料。然而，這些領(lǐng)域在很大程度上仍各自獨(dú)立。是MATBG將三個(gè)研究領(lǐng)域整合在了一起，因?yàn)樗婢咚刑攸c(diǎn)?！澳獱柫孔游镔|(zhì)”的話題在所有這些領(lǐng)域引發(fā)了熱烈討論。

AM：在我看來，我們?nèi)蕴幱诎l(fā)現(xiàn)和驚異的階段，但我非常樂觀地認(rèn)為，這些新型強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)將導(dǎo)向?qū)?qiáng)電子關(guān)聯(lián)物理學(xué)更廣泛、更深入的認(rèn)識(shí)。

NSR：這些系統(tǒng)有沒有實(shí)際應(yīng)用的可能，尤其是在設(shè)備技術(shù)方面？

PJ-H：這總是很難預(yù)測(cè)。目前而言，能在這些系統(tǒng)中探索基礎(chǔ)物理的魅力，我的團(tuán)隊(duì)乃至整個(gè)領(lǐng)域的研究人員都備受激勵(lì)。而切實(shí)來說，作為電可調(diào)超導(dǎo)體的MATBG（在工程學(xué)上叫做超導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）如果能夠被設(shè)法大規(guī)模制造，其實(shí)際應(yīng)用是很容易想象的。包括超導(dǎo)量子比特、量子光電探測(cè)器和低溫經(jīng)典計(jì)算等。

AM：個(gè)人而言，我對(duì)尋找潛在應(yīng)用非常感興趣——或許是光學(xué)性質(zhì)，或許是自旋電子學(xué)。與TMD的接口可能在調(diào)節(jié)自旋-軌道相互作用力的方面派上用場(chǎng)——這對(duì)于自旋電子學(xué)來說很關(guān)鍵。

魔角在中國(guó)

NSR：您對(duì)中國(guó)在這方面的研究有什么印象？

PJ-H：從理論物理學(xué)的角度來看，中國(guó)學(xué)界對(duì)此的研究興趣很大。在實(shí)驗(yàn)工作方面，中國(guó)目前只有少數(shù)幾個(gè)具有納米制造經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)（其中最著名的是復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授的團(tuán)隊(duì)）可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的莫爾量子系統(tǒng)，他們正在進(jìn)行非常出色的研究。鑒于中國(guó)科研近來的快速發(fā)展，估計(jì)未來幾年將有更多的實(shí)驗(yàn)組開始研究這個(gè)主題。

我以前的學(xué)生曹原在很多方面而言都是一位非常了不起的科學(xué)家。他聰慧、勤奮并且富有創(chuàng)造力和效率。他不僅是我前面提到的兩篇發(fā)現(xiàn)論文的第一作者，更是該領(lǐng)域的青年領(lǐng)軍人物，此后一直在該領(lǐng)域做著杰出貢獻(xiàn)。他在非常年輕時(shí)就獲得了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括麥克米蘭獎(jiǎng)（授予青年凝聚態(tài)物理學(xué)家的最負(fù)盛名的獎(jiǎng)項(xiàng)）和最近的國(guó)際薩克勒物理學(xué)獎(jiǎng)。能與他合作我覺得是一種幸運(yùn)。我想，我從他身上學(xué)到的東西和他從我身上學(xué)到的東西一樣多。我相信他將成為他那一代科學(xué)家中的領(lǐng)軍人才。

AM：吳馮成是我小組以前的學(xué)生，為TMD莫爾系統(tǒng)做了重要的早期工作，涉及到其光學(xué)和電子特性，他也在MATBG 超導(dǎo)研究方面做了貢獻(xiàn)。他現(xiàn)在是武漢大學(xué)教授，是該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才。香港大學(xué)的姚望是TMD莫爾系統(tǒng)光學(xué)特性研究的前沿科學(xué)家。量子反?；魻栃?yīng)最早是在清華大學(xué)的磁性拓?fù)浣^緣體中觀察到的。MATBG 提供了第二個(gè)例子，以及一些頗為有趣的異同之處。

NSR：是什么（或誰）給了您關(guān)于這項(xiàng)工作的主要靈感？您會(huì)給進(jìn)入該領(lǐng)域的年輕研究人員什么建議？

PJ-H：我很多同事們都富有創(chuàng)意，他們凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)方法上啟發(fā)了我的團(tuán)隊(duì)。其中包括 Paul McEuen (康奈爾大學(xué)）、Andre Geim（曼徹斯特大學(xué))和 Amir Yacoby (哈佛大學(xué))。當(dāng)然，我在代爾夫特理工大學(xué)的博導(dǎo)Leo Kouwenhoven 和我在哈佛的博士后導(dǎo)師 Philip Kim，都對(duì)我研究想法的形成產(chǎn)生了很大影響。對(duì)于年輕的研究人員，我會(huì)說：勇于冒險(xiǎn)并承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，追隨你的興趣向前，不要讓別人限制了你施展抱負(fù)。

AM：我這樣做已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。我非常享受實(shí)驗(yàn)帶來驚喜的能力。我在材料科學(xué)做基礎(chǔ)理論的方法，嘗試在那些已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上可觀察的現(xiàn)象中找到興奮點(diǎn)。我的直覺很大程度源于——已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)不同的理論模型在描述自然方面成功與否的反思。對(duì)已觀察到但仍然神秘的現(xiàn)象，對(duì)其加深理論理解同樣是十分有趣的。

我會(huì)建議年輕研究人員發(fā)展出自己的獨(dú)特方式來思考研究領(lǐng)域的問題。每當(dāng)遇到不了解的事物時(shí)，請(qǐng)打破砂鍋問到底，直至洞悉一切。大多數(shù)時(shí)候，新見解都只是前人見解的某種細(xì)節(jié)——但說不準(zhǔn)、有時(shí)也會(huì)變成某種真正的新東西。

本文譯自《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review) Interview文章“A new twist on graphene: an interview with Pablo Jarillo-Herrero and Allan MacDonald ”，原作者Philip Ball, 知社編譯。

原文鏈接：https://academic./nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac005/6506475

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