蟄伏七年，一天發(fā)兩篇Nature！“天才少年”曹原的學(xué)弟，首次發(fā)現(xiàn)石墨烯的神奇特性 | 專(zhuān)訪

提到同時(shí)發(fā)布到 Nature 正刊的原因，周昊欣說(shuō)告訴 DeepTech，他和團(tuán)隊(duì)首次在不引入超晶格或不加任何其他外界干擾的情況下，在本征石墨烯體系中觀察到關(guān)聯(lián)電子磁性和超導(dǎo)的神奇性質(zhì)。成果意義相對(duì)重大，這也是能發(fā)在頂刊的主要原因。

揭示摩爾材料的磁性在本質(zhì)上是遷移電子導(dǎo)致的

周昊欣告訴 DeepTech，《菱面體三層石墨烯中的半金屬和四分之一金屬》（Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene）這篇論文的主要研究了菱面體三層石墨烯中范霍夫奇點(diǎn)引發(fā)的費(fèi)米面不穩(wěn)定性及其導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)電子磁性。

利用電容和輸運(yùn)測(cè)量，周昊欣和團(tuán)隊(duì)觀察到對(duì)載流子濃度和電位移場(chǎng)的調(diào)節(jié)可以引發(fā)一系列的相變，量子振蕩測(cè)量表明這些相中的電子具有有四重、二重或一重的簡(jiǎn)并度，分別對(duì)應(yīng)于自旋和谷簡(jiǎn)并的 “金屬態(tài)”、自旋極化的 “半金屬態(tài)”，及自旋和谷極化的 “四分之一金屬態(tài)”。

在導(dǎo)帶中，主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用包含各向異性相互作用的唯象斯通納模型很好地描述。在價(jià)帶中，周昊欣和團(tuán)隊(duì)觀察到一個(gè)更復(fù)雜的相圖，它是由磁性相變和費(fèi)米面拓?fù)湫再|(zhì)的改變共同導(dǎo)致的。

最后，周昊欣通過(guò)對(duì)齊三層石墨烯和六方氮化硼襯底的晶格方向引入莫爾超晶格。

值得注意的是，周昊欣和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在這一體系中超晶格僅會(huì)對(duì)同位旋的相圖產(chǎn)生微擾，當(dāng)遷移的的半金屬或四分之一金屬態(tài)所對(duì)應(yīng)的載流子濃度剛好可以填滿(mǎn)超晶格能帶的二分之一和四分之一時(shí)，莫爾勢(shì)就會(huì)導(dǎo)致關(guān)聯(lián)電子絕緣態(tài)的形成。

這項(xiàng)工作表明，菱面體三層石墨烯是一個(gè)研究關(guān)聯(lián)電子理論的理想平臺(tái)，同時(shí)揭示了摩爾材料的磁性本質(zhì)上是由遷移電子導(dǎo)致的。

他告訴 DeepTech，第一篇論文主要講的是在相關(guān)體系中，通過(guò)對(duì)它的載流子（音）濃度和電場(chǎng)的調(diào)控，來(lái)從一個(gè)普通的物態(tài)（音）變成一個(gè)鐵磁性的物態(tài)。研究中，他還對(duì)測(cè)量到的相圖做了全面分析，然后所研究的對(duì)象其中有磁性，然后通過(guò)一個(gè)理論模型和相圖（音）作比較，從而對(duì)相吐做以全面了解，整體上做得比較全面和系統(tǒng)。

事實(shí)上，這兩篇論文研究相同的體系，但側(cè)重的現(xiàn)象不同。

觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，并討論了可能的超導(dǎo)機(jī)制

關(guān)于《菱面體三層石墨烯中的超導(dǎo)性》（Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene）這篇論文，他表示該研究是首次在本征石墨烯這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的電子系統(tǒng)中觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，并對(duì)超導(dǎo)產(chǎn)生的機(jī)制作了討論。

他在論文中表示，近年來(lái)，在石墨烯摩爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)性，但其中許多結(jié)構(gòu)在機(jī)械上并不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)顯示了強(qiáng)無(wú)序的特征。

研究中，他報(bào)道了在晶體菱形三層石墨烯中，臨界溫度之下電阻變?yōu)榱愕某瑢?dǎo)現(xiàn)象。

超導(dǎo)性發(fā)生在載流子濃度 - 電位移場(chǎng)相空間中兩個(gè)不同的區(qū)域（分別命名為 SC1 和 SC2），并表明在金屬態(tài)中的電子的平均自由程遠(yuǎn)大于超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度。

通過(guò)對(duì)正常態(tài)費(fèi)米表面的量子震蕩測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)這兩種超導(dǎo)態(tài)都處于具有環(huán)形費(fèi)米海的簡(jiǎn)并相中，并且臨近同位旋對(duì)稱(chēng)破缺的相。

SC1 出現(xiàn)在一個(gè)順磁的正常態(tài)中，而 SC2 則出現(xiàn)在一個(gè)自旋極化、谷簡(jiǎn)并的半金屬態(tài)中，違反了面內(nèi)磁場(chǎng)的泡利極限至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

期間，周昊欣和團(tuán)隊(duì)討論了導(dǎo)致超導(dǎo)的各種可能的機(jī)制，包括傳統(tǒng)的聲子介導(dǎo)配對(duì)，由同位旋序漲落產(chǎn)生的配對(duì)，以及環(huán)形費(fèi)米液體不穩(wěn)定性導(dǎo)致的電子配對(duì)。

他在一個(gè)高度有序且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二維金屬中觀察超導(dǎo)現(xiàn)象，這為研究超導(dǎo)的產(chǎn)生機(jī)制提供了一個(gè)理想的模型。

最后，周昊欣闡述了這里報(bào)道的超導(dǎo)性和在菱面體石墨烯超晶格中觀察到的超導(dǎo)性之間的可能關(guān)系。

在后者中，摩爾勢(shì)只會(huì)對(duì)在微擾的層面改變?nèi)龑邮┑碾娮有再|(zhì)， 其中所觀察到的超導(dǎo)很可能對(duì)應(yīng)于本征三層石墨烯中的 SC2。

與菱面體三層石墨烯相比，轉(zhuǎn)角雙層和三層石墨烯具有不同的微觀對(duì)稱(chēng)性；然而，它們與 RTG 有幾個(gè)共同的特征，包括大的態(tài)密度和同位旋對(duì)稱(chēng)性的破缺。

故此，他推測(cè)在所有石墨烯系統(tǒng)中觀察到的超導(dǎo)性均具有相同的產(chǎn)生機(jī)制。

他告訴 DeepTech， 石墨烯是一個(gè)高度有序且有很大的調(diào)制自由度的電子系統(tǒng)。對(duì)其中關(guān)聯(lián)電子現(xiàn)象的建模相對(duì)容易，這對(duì)完善現(xiàn)有的磁性以及超導(dǎo)的一般理論有很大的意義。與石墨烯相比，很多常見(jiàn)超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)一般相對(duì)復(fù)雜且高度無(wú)序，對(duì)它們的理論研究也更困難一些。

至于連續(xù)在 Nature 發(fā)表兩篇論文，周昊欣坦言，最開(kāi)始提交的是主題為鐵磁半金屬的那篇論文，在審稿期間才觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，最終以?xún)善恼路謩e發(fā)表的形式進(jìn)行。

談及和曹原的不同，他表示自己和曹原的研究方向和測(cè)量手段都非常接近，只是具體研究的體系不同。

2021 年 8 月，周昊欣剛從加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理系畢業(yè)，目前在加州理工學(xué)院做博后研究。

博士期間，周昊欣師從安德里亞·楊（Andrea Young），這位導(dǎo)師幾乎和他同時(shí)來(lái)到加州大學(xué)圣芭芭拉分校，但在短短幾年內(nèi)已經(jīng)發(fā)展成很大的課題組。

在加州理工學(xué)院做博后期間，他師從 Stevan Nadj-Perge，這位年輕的導(dǎo)師利用掃描隧道顯微術(shù)和電子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中在二維材料領(lǐng)域同樣做出了許多重要的成果。

周昊欣生于 1992 年，來(lái)自?xún)?nèi)蒙古省包頭市。之所以對(duì)物理感興趣，原因之一也在于家庭影響。小時(shí)候周昊欣爸爸做機(jī)械相關(guān)工作，從小就帶他去工廠認(rèn)識(shí)汽車(chē)和零部件。

不過(guò)他表示自己并非和曹原一樣畢業(yè)于中科大少年班，而是本科就讀于少年班學(xué)院下面一個(gè)理科實(shí)驗(yàn)班。在此之前，正常參加的高考，并沒(méi)有跳級(jí)或提前進(jìn)入大學(xué)。但是在進(jìn)入本科之后，第一年可以自由選專(zhuān)業(yè)，最終他選擇了物理學(xué)專(zhuān)業(yè)。

他告訴 DeepTech，在中國(guó)科大讀書(shū)時(shí)，老師比較重視基礎(chǔ)教育，平時(shí)的課程、作業(yè)、考試都要求比較高。經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練之后，不管天賦如何，可能都會(huì)在基礎(chǔ)物理知識(shí)方面取得較大進(jìn)步。期間，他還加入了一個(gè)二維材料的理論計(jì)算組，正是在該實(shí)驗(yàn)室，他第一次接觸到石墨烯領(lǐng)域，并開(kāi)始產(chǎn)生興趣。

當(dāng)下，他仍然在研究二維材料在低溫下的電子性質(zhì)，不過(guò)測(cè)量手段轉(zhuǎn)為掃描隧道顯微術(shù)。

目前已發(fā)表 8 篇論文，其中有 3 篇擔(dān)任第一作者，雖然不算多，但發(fā)表的期刊都不錯(cuò)，比如Science、Physical Review Letters 等。合并一起博后出站之后，優(yōu)先考慮在學(xué)術(shù)圈做研究，但也不排除其他可能性。

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