作者：韓揚(yáng)眉 李思輝 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 發(fā)布時(shí)間：2023/7/10 15:31:10

一個(gè)“備胎”課題登上Science，他們說(shuō)“氛圍”很重要

許楊也沒(méi)想到，一開始自己并不看好的課題能夠開花結(jié)果。

6月30日，距離許楊回國(guó)恰好兩年半，許楊帶著他的第一位博士生胡倩穎，與合作者在Science上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果。

他們打破了傳統(tǒng)“極低溫、超高真空、強(qiáng)激光”等苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，在較為常規(guī)的條件下“捕捉”并“操縱”了一種準(zhǔn)粒子——里德堡激子。在準(zhǔn)粒子世界中，里德堡激子不僅具有“綠巨人”般的身材，還具有相當(dāng)?shù)某瑥?qiáng)力量，有可能被應(yīng)用于量子計(jì)算和量子模擬等研究領(lǐng)域。

里德堡激子是一種并不常被提及的準(zhǔn)粒子。3年前，許楊還在康奈爾大學(xué)做博士后時(shí)，意識(shí)到了它的存在，及其有望成為觀測(cè)和研究量子世界的重要工具，便開始了不斷的探索，如今終于實(shí)現(xiàn)了將其“牢牢抓住”，而只有“抓住”，才有可能為實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用價(jià)值發(fā)揮作用。

在過(guò)去的9年間，許楊在低維電子體系中的新奇物性的研究中已是碩果累累：他以第一作者/通訊作者身份發(fā)表了1篇Nature正刊，5篇Nature子刊，以及《物理評(píng)論快報(bào)》PRL和PRX等。

2020年12月，許楊加入中國(guó)科學(xué)院物理研究所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室，任特聘研究員。接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，許楊說(shuō)，“獨(dú)立”做研究、“自由”的氛圍，讓他迅速成長(zhǎng)為獨(dú)立PI，在感興趣的領(lǐng)域里發(fā)揮自身特長(zhǎng)。

一次“無(wú)心插柳”

今年2月15日，許楊向Science投稿，4月6日便受到了審稿人和編輯的反饋，提了一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，并給了6周修改時(shí)間。再次投送論文后的一周，就收到了“接收”的郵件。

對(duì)于高水平期刊大多2-3輪審稿、每次3個(gè)月的修改時(shí)間來(lái)說(shuō)，這個(gè)速度讓許楊感到吃驚，也讓胡倩穎猝不及防。

畢竟，這個(gè)課題一開始只是個(gè)“備胎”，他們都覺(jué)得“不是重點(diǎn)”。

2021年春天，還在南開大學(xué)讀研究生的胡倩穎來(lái)到了許楊課題組聯(lián)合培養(yǎng)，一年后，她考上了中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生，成為許楊的第一位博士生。胡倩穎當(dāng)時(shí)的重心在單層黑磷的研究，但許久都沒(méi)有結(jié)果，做起來(lái)很吃力，心情也很郁悶。

“里德堡探測(cè)是之前許老師一直做的研究，我很感興趣，而且這個(gè)課題相對(duì)比較穩(wěn)妥，我想兩個(gè)課題‘搭’著同時(shí)做?！焙环f向?qū)熢V說(shuō)了自己的想法，也得到了同意。

事實(shí)上，過(guò)去幾年里，許楊與合作者發(fā)展了一套光學(xué)“里德堡激子探測(cè)”的方法。此外，近年來(lái)，由兩個(gè)單原子層的石墨烯相互扭轉(zhuǎn)疊加而成的轉(zhuǎn)角石墨烯因其獨(dú)特的物理性質(zhì)，被許多科學(xué)家關(guān)注，他們用各種方法尋找轉(zhuǎn)角石墨烯的量子物態(tài)。

“這些發(fā)現(xiàn)大多基于電學(xué)方法，光學(xué)探測(cè)具有更高空間分辨率，我們想用光學(xué)的方法去對(duì)轉(zhuǎn)角石墨烯中的量子物態(tài)做一些驗(yàn)證?！痹S楊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，雖然沒(méi)有多大意義，但總歸也沒(méi)有壞處。

那時(shí)，許楊剛回國(guó)不久，實(shí)驗(yàn)儀器尚未搭建好，實(shí)驗(yàn)室也正在建設(shè)中，各方面條件都不是很方便，所幸中科院物理所具有良好的合作氛圍，他們便借用了極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張清明的實(shí)驗(yàn)儀器開展驗(yàn)證。

然而，沒(méi)過(guò)多久，他們得知張清明實(shí)驗(yàn)室很快就要“搬家”了。

“當(dāng)時(shí)離測(cè)量只有一周時(shí)間，我知道我不可能在這一周之內(nèi)把單層黑磷樣品做出來(lái)，但我可以把轉(zhuǎn)角石墨烯樣品做出來(lái)?！焙环f說(shuō)，“錯(cuò)過(guò)這一次測(cè)試樣品機(jī)會(huì)，下一次就是半年后等自己的實(shí)驗(yàn)室建成后了?！?/p>

一周內(nèi)，她做了5個(gè)轉(zhuǎn)角石墨烯與單層二硒化鎢的異質(zhì)結(jié)樣品，測(cè)量期間又做了幾個(gè)，一次同時(shí)下桿4個(gè)樣品，用滿樣品座上的全部空間來(lái)節(jié)省測(cè)量時(shí)間。

與預(yù)期一致地，他們大角度轉(zhuǎn)角石墨烯和魔角石墨烯的樣品進(jìn)行中發(fā)現(xiàn)，二硒化鎢的光譜信號(hào)由“里德堡激子探測(cè)”機(jī)制主導(dǎo)，主要反映了介電函數(shù)的變化，例如在魔角石墨烯的樣品中探測(cè)到的一系列對(duì)稱性破缺的關(guān)聯(lián)電子物態(tài)。

意外地是，在另一些樣品中，電腦屏幕上出現(xiàn)了異常的呈“波浪形”的光譜。在她制備的第8個(gè)，也就是那次測(cè)量的最后一個(gè)樣品中，他們測(cè)到了這種“波浪”的角度依賴，確認(rèn)了這絕不是偶然差錯(cuò)造成的假象，它背后一定有真實(shí)的物理機(jī)制存在。

“非常漂亮，但不清楚究竟是怎么回事?！睅熒鷥扇硕啻斡懻撘参垂?。

理論與實(shí)驗(yàn)的完美合作

別人的實(shí)驗(yàn)室搬走了，自家的實(shí)驗(yàn)室還未建成，實(shí)驗(yàn)停了半年，而他們對(duì)“異?！睌?shù)據(jù)的思考從未停止。

半年后，自家的儀器來(lái)了，胡倩穎在許楊的指導(dǎo)下，制備了更多的器件樣品，再一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣的圖像再一次出現(xiàn)了。

在大約0.6度的小角度的轉(zhuǎn)角石墨烯樣品中，里德堡激子態(tài)隨柵壓調(diào)控，表現(xiàn)出顯著的非單調(diào)的紅移現(xiàn)象，能量最低處已經(jīng)極其接近基態(tài)激子。他們將這個(gè)現(xiàn)象命名為“里德堡莫爾激子態(tài)”。

“正常情況下，比如大角度的轉(zhuǎn)角石墨烯，隨著柵壓摻雜，它的能量應(yīng)該是一個(gè)單調(diào)的減小?！焙环f說(shuō)。

經(jīng)過(guò)一年的探索，他們對(duì)這種現(xiàn)象的來(lái)源有了一些初步的猜測(cè)，于是找到武漢大學(xué)教授袁聲軍團(tuán)隊(duì)，結(jié)合其新發(fā)展的實(shí)空間大尺度計(jì)算物理方法進(jìn)行理論分析。

袁聲軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，轉(zhuǎn)角石墨烯體系的計(jì)算難度很大，相對(duì)于以往類似研究的計(jì)算量提高了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。他們利用自主發(fā)展的大尺度計(jì)算物理方法，對(duì)包含多達(dá)近千萬(wàn)原子的超大體系進(jìn)行了精確的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)莫爾超晶格中的空間電荷分布，對(duì)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生起到了關(guān)鍵作用。

“當(dāng)時(shí)我們最不能理解的是它非單調(diào)紅移現(xiàn)象的來(lái)源，這個(gè)問(wèn)題在算出空間電荷分布后還是沒(méi)有搞懂，因?yàn)閷?shí)空間的電荷分布似乎也是單調(diào)的。”胡倩穎說(shuō)，“我們非常頻繁的討論，依舊沒(méi)有結(jié)果，感覺(jué)做夢(mèng)都在想這個(gè)問(wèn)題。直到有一天，我5點(diǎn)就醒了，躺床上想了一個(gè)小時(shí)突然找到了答案。雖然當(dāng)時(shí)詳細(xì)的電荷分布還沒(méi)算出來(lái)，只有態(tài)密度的數(shù)據(jù)，但我看著寢室的天花板，我知道這次一定猜對(duì)了”。

一個(gè)月之后，0.6度轉(zhuǎn)角石墨烯的空間電荷分布結(jié)果出來(lái)了。

胡倩穎表示，單獨(dú)看某一個(gè)區(qū)域，電荷密度的增長(zhǎng)的確是單調(diào)的，但只要將電荷密度最高與最低的區(qū)域做一個(gè)減法，一條再熟悉不過(guò)的非單調(diào)曲線就會(huì)浮現(xiàn)在眼前，與實(shí)驗(yàn)幾乎完全吻合。這是里德堡激子中的電荷在空間上分別處在不同堆疊區(qū)域造成的直接結(jié)果。

在該體系中，轉(zhuǎn)角石墨烯中產(chǎn)生的周期性莫爾勢(shì)場(chǎng)類似于冷原子體系中的光晶格，為里德堡激子提供了一個(gè)高度可調(diào)的束縛勢(shì)場(chǎng)。

這個(gè)勢(shì)場(chǎng)就像地勢(shì)一樣——有高地、有低洼坑地，正如水往低處流，里德堡激子的其中一個(gè)電荷也會(huì)一個(gè)個(gè)地跳到洼地去，而當(dāng)它們“掉坑”里時(shí)便被“囚禁”了，也就意味著科學(xué)家“抓住”了里德堡激子。

“一直以來(lái)，里德堡激子態(tài)與周圍介電層的層間相互作用較弱，如何對(duì)里德堡激子進(jìn)行調(diào)控形成強(qiáng)相互作用以及實(shí)現(xiàn)空間囚禁，是迫切需要解決的問(wèn)題?！痹S楊說(shuō)。

如今回想起來(lái)，許楊甚至有些“余悸”，他笑著說(shuō)，“這個(gè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，國(guó)際上被公認(rèn)為領(lǐng)域內(nèi)最好的研究組，也在同時(shí)做這件事，我們投稿后的一個(gè)月，他們?cè)陬A(yù)印本網(wǎng)站上公布了他們的研究結(jié)果，如果我們?cè)偻硪徊剑赡芫蜎](méi)我們什么事兒了?！?/p>

“綠巨人”不好操縱

里德堡激子，被稱作激子界的“巨人”，它有著許多優(yōu)勢(shì)特性，比如可以在半導(dǎo)體里自由移動(dòng)、能夠?qū)χ車h(huán)境的改變產(chǎn)生較大的響應(yīng)等。

第一次在固態(tài)體系中“捕捉”到里德堡激子，也是被Science編輯部青睞的關(guān)鍵。

就像電影《綠巨人》中所演繹的，假設(shè)了人受到強(qiáng)力輻射后，誘發(fā)身體里的神秘力量，變?yōu)閾碛谐瑥?qiáng)力量的綠巨人。這種現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)的事情，在固體中可以通過(guò)構(gòu)造精妙的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這一研究開辟了新的研究路線，有著重要的意義。里德堡莫爾激子態(tài)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)地展示了對(duì)于里德堡激子的可控調(diào)節(jié)以及空間束縛，為實(shí)現(xiàn)基于固態(tài)體系中里德堡態(tài)在量子科學(xué)和技術(shù)等方向上的應(yīng)用提供了一條潛在的途徑。

這是許楊回國(guó)，成為獨(dú)立PI后的又一篇重要研究結(jié)果。

在他看來(lái)，自由探索研究的大突破，很難在前期有設(shè)計(jì)，大多來(lái)自“意外”的發(fā)現(xiàn)之后，不斷思考，再挖掘背后的機(jī)理。

事實(shí)上，這也是里德堡莫爾激子研究中最困難的地方，它并非是實(shí)驗(yàn)中測(cè)到即發(fā)現(xiàn)，而是在漫長(zhǎng)的探索中一層層揭開神秘的面紗。

“它需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，不斷地與不同的合作者討論交流，發(fā)現(xiàn)與一些物理機(jī)制產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，才能產(chǎn)生真正有價(jià)值的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！?/p>

許楊和團(tuán)隊(duì)成果頻出，離不開一直以來(lái)的“自由”氛圍。

“許老師允許他們做自己感興趣的研究，而非強(qiáng)加課題?！焙环f說(shuō)，在環(huán)境上也給了他們很大的“包容”，我家住天津，每周末都可以離開實(shí)驗(yàn)室回家，他也從不要求“加班”熬夜，氛圍輕松不緊張......“這次的成果就是在自由寬松的環(huán)境下，對(duì)大自然最純粹的好奇心的獎(jiǎng)勵(lì)。”

“許老師很努力，也很好溝通，有事兒跟我們一起干?！焙环f談到選擇年輕老師作為導(dǎo)師的初衷時(shí)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室從裝修到搭建儀器，他從不會(huì)當(dāng)一個(gè)“旁觀者”。

而他自己，在美國(guó)普渡大學(xué)和康奈爾大學(xué)時(shí)，導(dǎo)師們把他當(dāng)作獨(dú)立的科研人員進(jìn)行培養(yǎng)，給予了充分的發(fā)展空間，鼓勵(lì)他獨(dú)立做科研。

“在自己感興趣的領(lǐng)域里深耕，才能夠更大程度的發(fā)揮自己的特長(zhǎng)?！痹S楊說(shuō)。

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許楊課題組成員（受訪者供圖）

許楊（左）與胡倩穎（右）（受訪者供圖）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adh1506

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