當(dāng)我們用鉛筆在紙上書寫繪畫的時候，可能并不會意識到黑色的石墨筆芯有什么神奇之處，但如果從微觀物理科學(xué)的角度來看，卻是另一個充滿奧妙的世界。

石墨是碳同素異形體的一種形態(tài)，碳原子可組成平面六邊形環(huán)平鋪結(jié)構(gòu)，堆疊起來便是石墨，因這些層狀結(jié)構(gòu)之間僅有微弱的結(jié)合力，可以輕易造成相互滑動、脫落。石墨也因此表現(xiàn)出質(zhì)地較軟且有滑膩感的特性，不僅能用來寫字，還能做潤滑材料，同時科學(xué)家們利用石墨材料較好的耐腐蝕性、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性等，在產(chǎn)業(yè)界展開廣泛應(yīng)用。

而碳原子的神奇之處在于，不同的排列組合能形成屬性截然不同的材料。例如在極高壓力下，每個碳原子會以四面體狀與另外四個碳原子鍵合，形成一個三維密鋪網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)晶便是具備較高透明度和超強硬度的鉆石，與石墨相比也變成了不導(dǎo)電材質(zhì)。

圖｜碳的兩種常見同素異形體，分別是鉆石（左）及石墨（右）（來源：維基百科）

如果碳原子變成二維結(jié)構(gòu)又會表現(xiàn)出怎樣的能力？答案便是在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域火了十多年的超級材料：石墨烯。通俗來講，即單原子層平面的石墨，這種單層原子組成的晶體材料也稱作二維材料，據(jù)了解，1 毫米厚度的石墨大約是由 300 萬層石墨烯堆疊而成。

2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈?海姆（AndreGeim）和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）成功在實驗室從石墨中分離出了石墨烯，并在室溫下觀察到石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)，2010 年，二人因?qū)κ┑拈_創(chuàng)性貢獻共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯作為人類成功制備出的第一款二維材料，被科學(xué)家們廣泛譽為是改變 21 世紀的材料之王，吸引了各國物理學(xué)家對此展開深入科研。它不僅是目前人類已知強度最高、最薄的納米材料，而且具備超導(dǎo)電性、極好的熱傳導(dǎo)性和光學(xué)特性等。

一種新材料的應(yīng)用邊界有多廣，取決于對其物理特性的了解有多深，在過去超過 15 年的時間里，科學(xué)家對石墨烯的研究已然走向深水區(qū)，但關(guān)于石墨烯的特性我們了解透徹了么？

來自麻省理工學(xué)院（MIT）物理系的助理教授巨龍，近年來通過融合光學(xué)、微器件加工及電學(xué)輸運測量等跨領(lǐng)域?qū)嶒炇侄危沂玖烁嚓P(guān)于石墨烯材料的全新物理特性和應(yīng)用前景，其創(chuàng)新發(fā)明的實驗技術(shù)也對二維材料的物理研究起到了重要助推作用，憑借極具開拓性的科研貢獻，他成功入選了《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單。

在日前的一次交流中，巨龍向 DeepTech 講述了他眼中的二維材料 2.0 時代。

圖｜《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單入選者巨龍

二維材料 2.0 時代

巨龍今年 33 歲，本科畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，2009 年 - 2015 年期間，他在加州大學(xué)伯克利分校先后獲得物理學(xué)碩士和博士學(xué)位，隨后進入到康奈爾大學(xué)卡弗里納米科學(xué)研究所以及原子和固體物理研究所做博士后研究，2019 年 1 月，加入麻省理工學(xué)院物理系擔(dān)任助理教授。

在外界看來，多年偏基礎(chǔ)物理科學(xué)的研究不免會有些枯燥，但對巨龍來說，興趣是最好的內(nèi)心驅(qū)動力，他所領(lǐng)導(dǎo)的課題組目前也是聚焦于對二維材料的一些基本物理性質(zhì)的研究。

巨龍介紹，從 2005 年至今，科學(xué)界基本是一邊研究已發(fā)現(xiàn)的二維材料性質(zhì)，另一方面，也在不斷尋找新的二維材料。石墨烯是這個領(lǐng)域里的第一個材料，近 15 年時間里科學(xué)家們已經(jīng)做了很多突破性工作，曾經(jīng)有一段時間，業(yè)界認為對石墨烯的相關(guān)特性都已經(jīng)搞清楚了，于是就把注意力跟重心轉(zhuǎn)移到去研究其他的二維材料。

圖｜兩層石墨烯以 1.1 度的偏轉(zhuǎn)夾角疊起來時實現(xiàn)了 1.7K 溫度下的超導(dǎo)（來源：Quanta Magazine）

轉(zhuǎn)折點發(fā)生在 2018 年初，一項重磅研究在扭曲雙層石墨烯中觀察到新型超導(dǎo)現(xiàn)象，被稱為“魔角石墨烯”，DeepTech 曾對此進行過采訪報道：《21歲 MIT 中國科學(xué)家連發(fā)兩篇Nature論文：室溫超導(dǎo)有望實現(xiàn)重大突破，石墨烯揭開其中“魔法” | 獨家》。

與傳統(tǒng)超導(dǎo)有很多不一樣的特性，此發(fā)現(xiàn)雖然離高溫超導(dǎo)甚遠，但對揭開超導(dǎo)原理之謎意義深遠，諾貝爾物理獎得主羅伯特?勞夫林（Robert Laughlin）曾評論該發(fā)現(xiàn)是 “一個令人目眩的暗示”，未來可能幫助推演設(shè)計出常溫超導(dǎo)體，此后，石墨烯又重新成為整個二維材料乃至整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域非常前沿的研究焦點。

“如果你只考慮一層二維材料的話，它該有什么樣的性質(zhì)，說實話十幾年時間大家都研究得比較清楚了，但如果你把二維材料想象成一張紙，不同的紙有不同的屬性，兩張紙可以疊起來，同理，你也可以把二維材料連接起來，這個事情就變得非常有趣，它們之間會產(chǎn)生相互作用，表現(xiàn)出跟兩張完全分開的紙非常不一樣的物理特性，從結(jié)構(gòu)的角度來講，科學(xué)家就可以獲得之前自然界中所不存在的材料?！?/p>

在巨龍看來，二維材料目前已進入 2.0 時代，科學(xué)家們在 1.0 時代主要研究單個的二維材料的性質(zhì)，研究完可能就去尋找下一種二維材料。但目前在 1.0 的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們對各種二維材料的性質(zhì)理解比較清楚的情況下，突然打開了一個全新的領(lǐng)域，可以把不同的二維材料組合在一起，或是控制扭轉(zhuǎn)的角度產(chǎn)生更多實驗變量，包括探索與拓撲材料的聯(lián)系等，然后研究發(fā)現(xiàn)了全新的物理性質(zhì)。

二維材料 2.0 時代剛剛揭幕，正在不斷有驚喜產(chǎn)生。

圖｜多層石墨烯概念圖（來源：pixabay）

三篇論文，三個開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)

2011 年，巨龍第一次在實驗中觀測并證明了石墨烯中等離子體的存在及其基本物理性質(zhì)，這個新發(fā)現(xiàn)被《自然 - 納米技術(shù)》進行了專題報道，論文被引用超過 2300 次，目前是該細分領(lǐng)域被引用最多的文章，對石墨烯等離子學(xué)的研究具有開創(chuàng)性。

等離激元作為電子集體震蕩的量子形式，在材料的電學(xué)響應(yīng)方面扮演著最基本和重要的角色，而且，與等離子激元相關(guān)的電磁場的波長可以比具有相同頻率的光的波長短幾個數(shù)量級。這意味著，等離子體可用來控制納米級的電磁輻射，它們對固體中的電子對外部磁場的響應(yīng)以及超材料在負折射、超透鏡和隱身涂層等應(yīng)用中的功能都起到關(guān)鍵作用。

這項研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米帶中的等離子體具有廣泛的可調(diào)諧頻率，并可與光發(fā)生強烈的相互作用。巨龍和團隊通過改變石墨烯納米帶寬度和其中的電荷載流子濃度，可以在較寬的太赫茲頻率范圍內(nèi)調(diào)諧石墨烯等離子體共振，等離子體頻率可從～1.5 太赫茲調(diào)整到～6 太赫茲。

這些結(jié)果為從近紅外到遠紅外可調(diào)的各種器件打開了大門，包括超材料器件（如調(diào)制器、濾波器、偏振器、減速器、隱身器件和超級透鏡），等離子器件（包括生物和化學(xué)傳感器）和光電子器件（振蕩器、放大器、光電探測器、高速通訊互聯(lián)等），揭示了基于石墨烯材料全新的等離子體學(xué)和太赫茲超材料結(jié)合的科研思路。

圖｜石墨烯微帶陣列可以通過不同方式進行調(diào)整（來源：Berkeley Lab）

2015 年，巨龍的又一項工作成果再次被《自然》雜志和許多主流物理媒體報道，他和同事在雙層石墨烯的疇壁上發(fā)現(xiàn)了拓撲保護的一維電子傳導(dǎo)通道，這些傳導(dǎo)通道是 “谷極化” 的。

在實驗手段上，巨龍結(jié)合了近場紅外納米級顯微鏡和低溫電遷移測量技術(shù)，記錄了雙層石墨烯疇壁上一維彈道電子傳導(dǎo)通道的第一批實驗觀察結(jié)果，它們的存在為探索石墨烯中獨特的拓撲相和能谷物理學(xué)提供了廣闊前景。

能谷電子學(xué)作為量子計算的潛在途徑，在高科技行業(yè)同樣受到極大關(guān)注，電子的能谷自由度類似于電子自旋，利用能谷自由度在數(shù)據(jù)處理速度方面比傳統(tǒng)電子學(xué)中使用的電荷具有巨大優(yōu)勢，能夠用來存儲和傳遞信息，可以制作出創(chuàng)新的納米光電子器件，也有望發(fā)展成與傳統(tǒng)電子學(xué)和自旋電子學(xué)并行的下一代電子學(xué)學(xué)科。

圖｜博士階段的巨龍（左一）（來源：Berkeley Lab）

同樣是在雙層石墨烯研究領(lǐng)域，2017 年，巨龍在博士后科研階段，憑借在實驗技術(shù)方面的創(chuàng)新再次有了全新發(fā)現(xiàn)，論文以《雙層石墨烯中的可調(diào)激子》為題發(fā)表在《科學(xué)》雜志。

激子是固體材料中電子和空穴的束縛態(tài)，對絕緣體和半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。在這項研究中，巨龍和團隊利用了光電流光譜法研究了封裝在六方氮化硼中的高質(zhì)量雙層石墨烯（BLG），進而觀察到兩個明顯的激子共振，其激子光學(xué)吸收峰線寬較窄，可從中紅外到太赫茲范圍內(nèi)調(diào)諧。

這使得雙層石墨烯在新型激光器和檢測器的開發(fā)中具有潛在的意義，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)完全由其結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分決定，而在雙層石墨烯中可以通過外加電場輕易地調(diào)控出傳統(tǒng)半導(dǎo)體從未有過的性質(zhì)。

圖｜紅外線照亮雙層石墨烯并產(chǎn)生激子（來源：Cornell Chronicle）

這些激子的光學(xué)躍遷研究發(fā)現(xiàn)與許多技術(shù)應(yīng)用相關(guān)，例如分子光譜、材料分析、熱成像和天文應(yīng)用等，特別是在此范圍內(nèi)具有高品質(zhì)因數(shù)的強且原位可調(diào)諧激子共振，有望讓石墨烯成為適用于各種光學(xué)和光電應(yīng)用更好的材料，例如可調(diào)紅外探測器、發(fā)光二極管和激光器。

不斷有新發(fā)現(xiàn)的背后得益于對實驗手段的改進，巨龍在康奈爾大學(xué)的博士后工作期間，從零開始搭建了一套近場紅外顯微鏡，并發(fā)展出一套全新的磁場中的廣譜紅外微光譜技術(shù)，這是一套微米尺度下的傅里葉變換光電能譜技術(shù)，對進一步研究石墨烯和其他二維材料提供了重要手段。

圖｜巨龍課題組主頁展示的科研技術(shù)方向（來源：MIT）

多嘗試別人沒有嘗試過的思路

“這三篇論文關(guān)注的材料對象雖然都是石墨烯，但側(cè)重于它的幾個非常不一樣的物理性質(zhì)的研究。對于一個新材料，我們更關(guān)注的是它能夠給我們帶來什么全新的認知？它相比于傳統(tǒng)的材料有什么更好的特性？我們怎么去挖掘？以這樣的興趣和問題作為出發(fā)點，然后再去設(shè)計我們的實驗，每一篇文章基本都是小的領(lǐng)域內(nèi)第一篇開創(chuàng)性的文章?！?巨龍表示。

關(guān)于在科研課題選擇方面的邏輯，巨龍介紹，如果局限在一個細分的方向，繼續(xù)往下去做研究，應(yīng)該還是會出其他的成果，但他和團隊在挑選課題的時候，更傾向于從最感興趣、最重要的、比較大的物理問題出發(fā)，想法和思路上的創(chuàng)新比較被看重，而不是完全基于已做出一些成果，下一步在這個小方向上繼續(xù)做一些遞進式改進。

能做出開創(chuàng)性的研究有什么訣竅么？

巨龍回答：“二維材料有很多意想不到的性質(zhì)，但現(xiàn)在的瓶頸往往是我們?nèi)狈线m的實驗工具來研究它。例如我們當(dāng)時在做 2017 年的那篇研究論文的時候，遇到的問題就是大家預(yù)測這個材料可能會有特殊的物理現(xiàn)象，但是我們?nèi)狈σ粋€手段，能夠真正地在實驗上探測到這些特性的數(shù)據(jù)。所以本質(zhì)還是從科學(xué)問題出發(fā)，我們并不受限于自己能做什么，而是看我們需要做什么，如果一個問題驅(qū)動，需要去匹配一些新的手段，我們就想辦法去發(fā)明這樣的手段。”

目前，巨龍自己帶領(lǐng)的課題組仍在不斷嘗試用新的實驗手段去探測石墨烯 2.0 時代的一些很重要的其他課題，去嘗試別人沒有嘗試過的科研路徑，而得益于實驗技術(shù)手段的創(chuàng)新，也能做出一些非常特別、獨家原創(chuàng)的實驗結(jié)果，在競爭激烈的石墨烯材料科研領(lǐng)域，與其他研究團隊明顯區(qū)分開來。

巨龍的導(dǎo)師和同事都評價他是國際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星，對于自己現(xiàn)階段成就和外界的贊譽，他表示，正如二維材料 2.0 時代剛剛起步，自己其實也處于獨立研究生涯比較早期的階段，現(xiàn)階段最大的期望是能夠盡快把自己的課題組研究做起來，過渡到一個更穩(wěn)定的科研階段。

“重點還是腳踏實地?！?巨龍最后說道。

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