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“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(yè)，還沒有定好去哪里。”從浙江大學(xué)到北京大學(xué)，再到美國俄亥俄州立大學(xué)，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(shí)驗(yàn)。他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層石墨烯偏轉(zhuǎn)到某個精確角度時，可以變?yōu)槌瑢?dǎo)體，并且證明量子幾何在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。2月15日，這項(xiàng)研究在Nature發(fā)表，這也是田海東擔(dān)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(jìn)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(jìn)樣品的制備方法，在著魔般追求石墨烯偏轉(zhuǎn)角度的同時，他也收獲了自己科研路上的第一個成果。偏轉(zhuǎn)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(lǐng)域的研究熱門。它是一種?由碳原子構(gòu)成?的單層片狀結(jié)?構(gòu)的新材料。2018年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)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(zhuǎn)到特定角度——1.08°時，就會出現(xiàn)神奇的超導(dǎo)現(xiàn)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(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)在Science Advance上發(fā)表了他們的研究成果，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象在0.93°轉(zhuǎn)角的樣品中依然存在。“這個轉(zhuǎn)角要比理論上預(yù)測的‘魔角’小15%。”田海東介紹，“我們團(tuán)隊(duì)率先在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)角對超導(dǎo)的限制相對來說沒有那么嚴(yán)苛。”在Nature這項(xiàng)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(zhuǎn)角度。而這項(xiàng)研究對轉(zhuǎn)角的精確控制程度要求非常高，在此前提下，才能進(jìn)一步探討扭曲石墨烯在轉(zhuǎn)角非常接近“魔角”時的輸運(yùn)性質(zhì)。從不能控制轉(zhuǎn)角到精確控制轉(zhuǎn)角，對田海東來說并非偶然，而是付出無數(shù)次堅(jiān)持與努力的結(jié)果。在理論上，當(dāng)轉(zhuǎn)角為“魔角”時，電子運(yùn)動速度為0；當(dāng)轉(zhuǎn)角稍微偏離“魔角”0.02°時，電子運(yùn)動速度就會達(dá)到5000米/秒。“由此可見，電子運(yùn)動速度對轉(zhuǎn)角是極為敏感的。”田海東說。田海東稱自己很幸運(yùn)地制備了一個樣品，其電子的運(yùn)動速度大約為1000米/秒，并通過實(shí)驗(yàn)觀測到量子幾何對超導(dǎo)的貢獻(xiàn)。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(tài)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，電子運(yùn)動幾乎被阻止，但該樣品還是顯示出了超導(dǎo)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(yùn)氣
石墨烯樣品的轉(zhuǎn)角在接近“魔角”的同時，還要有更高的質(zhì)量，這是實(shí)驗(yàn)的一個難點(diǎn)。
“轉(zhuǎn)角對‘魔角’的偏離是隨機(jī)的，并且無法在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下消除。”田海東告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我們只能通過不斷摸索和改進(jìn)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(yùn)氣了。”好運(yùn)氣不會從天而降。實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢曾給田海東帶來很大的心理壓力，導(dǎo)師劉津?qū)帲–hun Ning Lau）教授幫他聯(lián)系到一位從組里畢業(yè)的師兄，來向他傳授經(jīng)驗(yàn)，讓他可以把心思完全放在改進(jìn)樣品制備方法上。田海東從不必要的精神內(nèi)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(dǎo)現(xiàn)象都是非常有挑戰(zhàn)性的工作；而要觀測到量子幾何對超導(dǎo)的貢獻(xiàn)，更是難上加難，因?yàn)樾枰央娮舆\(yùn)動的速度降下來。為此，田海東在實(shí)驗(yàn)中不僅展示了慢速運(yùn)動的電子，還給出了比之前研究更精確的電子運(yùn)動測量。這項(xiàng)研究最大的亮點(diǎn)是，當(dāng)電子運(yùn)動速度極低時，存在超導(dǎo)和輸運(yùn)現(xiàn)象。然而，這有悖于傳統(tǒng)上對超導(dǎo)和輸運(yùn)的理解，因?yàn)橐苿尤绱酥碾娮?，本來?yīng)該不能導(dǎo)電。“上述亮點(diǎn)也是我們投稿Nature的原因，我們的發(fā)現(xiàn)更偏重基礎(chǔ)性，尤其可以加深對高溫超導(dǎo)機(jī)制的理解。”田海東說，“在審稿過程中，審稿人提出要求驗(yàn)證極低電子速度在平帶中存在的合理性，這也在后續(xù)制備的樣品中得到了驗(yàn)證。”在投稿后快一年時間的修改中，田海東發(fā)現(xiàn)，如何跟編輯和審稿人進(jìn)行有效的溝通，也是一門很講究的學(xué)問，需要不斷的學(xué)習(xí)和改進(jìn)。田海東做實(shí)驗(yàn)中
羽翼未豐
談及自己的求學(xué)之路，田海東有點(diǎn)慚愧地告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“在浙江大學(xué)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(xué)物理學(xué)院讀碩期間，他獲得了北京大學(xué)2015-2016學(xué)年國家獎學(xué)金，也堅(jiān)定了自己學(xué)習(xí)物理的決心。2017年，田海東來到俄亥俄州立大學(xué)攻讀博士學(xué)位，恰逢劉津?qū)幒蚆arc Bockrath兩位教授的團(tuán)隊(duì)剛被從加州大學(xué)河濱分校挖過來，實(shí)驗(yàn)室都沒有搭建好。入學(xué)后，俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)院組織了由Jonathan Pelz主持的對每一位新同學(xué)選擇導(dǎo)師的指導(dǎo)。“Jonathan Pelz教授獲知我希望從事有關(guān)二維材料的凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)研究工作后，力薦了劉津?qū)幗淌诤蚆arc Bockrath教授。”田海東回憶道，自己在2017年11月加入了劉津?qū)幍膱F(tuán)隊(duì)。在田海東眼里，二維材料是凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(lián)系推動實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)師，在學(xué)術(shù)上嚴(yán)格要求，又在生活上給予關(guān)心。”田海東表示，通過劉津?qū)幍难詡魃斫?，自己逐漸適應(yīng)象牙塔內(nèi)外的工作和生活。“我就是一個普通的學(xué)生，跟國內(nèi)外優(yōu)秀學(xué)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(xì)規(guī)劃過，現(xiàn)在需要做的是努力讓自己的羽翼豐滿起來，才有資格應(yīng)對接下來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05576-2
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