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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。”從浙江大學到北京大學，再到美國俄亥俄州立大學，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驗。他在實驗中發(fā)現(xiàn)，當兩層石墨烯偏轉(zhuǎn)到某個精確角度時，可以變?yōu)槌瑢w，并且證明量子幾何在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。2月15日，這項研究在Nature發(fā)表，這也是田海東擔綱一作的第一篇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，麻省理工學院的研究團隊發(fā)現(xiàn)，在適當條件下，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，田海東所在研究團隊在Science Advance上發(fā)表了他們的研究成果，發(fā)現(xiàn)超導現(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，“我們團隊率先在實驗中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)角對超導的限制相對來說沒有那么嚴苛。”在Nature這項研究之初，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，才能進一步探討扭曲石墨烯在轉(zhuǎn)角非常接近“魔角”時的輸運性質(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)次堅持與努力的結(jié)果。在理論上，當轉(zhuǎn)角為“魔角”時，電子運動速度為0；當轉(zhuǎn)角稍微偏離“魔角”0.02°時，電子運動速度就會達到5000米/秒。“由此可見，電子運動速度對轉(zhuǎn)角是極為敏感的。”田海東說。田海東稱自己很幸運地制備了一個樣品，其電子的運動速度大約為1000米/秒，并通過實驗觀測到量子幾何對超導的貢獻。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)物理學標準，電子運動幾乎被阻止，但該樣品還是顯示出了超導性。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，這是實驗的一個難點。
“轉(zhuǎn)角對‘魔角’的偏離是隨機的，并且無法在現(xiàn)有實驗條件下消除。”田海東告訴《中國科學報》，“我們只能通過不斷摸索和改進樣品制備工藝，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氣了。”好運氣不會從天而降。實驗進展緩慢曾給田海東帶來很大的心理壓力，導師劉津?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，讓他可以把心思完全放在改進樣品制備方法上。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的貢獻，更是難上加難，因為需要把電子運動的速度降下來。為此，田海東在實驗中不僅展示了慢速運動的電子，還給出了比之前研究更精確的電子運動測量。這項研究最大的亮點是，當電子運動速度極低時，存在超導和輸運現(xiàn)象。然而，這有悖于傳統(tǒng)上對超導和輸運的理解，因為移動如此之慢的電子，本來應(yīng)該不能導電。“上述亮點也是我們投稿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機制的理解。”田海東說，“在審稿過程中，審稿人提出要求驗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行有效的溝通，也是一門很講究的學問，需要不斷的學習和改進。田海東做實驗中
羽翼未豐
談及自己的求學之路，田海東有點慚愧地告訴《中國科學報》：“在浙江大學讀本科期間，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。在北京大學物理學院讀碩期間，他獲得了北京大學2015-2016學年國家獎學金，也堅定了自己學習物理的決心。2017年，田海東來到俄亥俄州立大學攻讀博士學位，恰逢劉津?qū)幒蚆arc Bockrath兩位教授的團隊剛被從加州大學河濱分校挖過來，實驗室都沒有搭建好。入學后，俄亥俄州立大學物理學院組織了由Jonathan Pelz主持的對每一位新同學選擇導師的指導。“Jonathan Pelz教授獲知我希望從事有關(guān)二維材料的凝聚態(tài)物理實驗研究工作后，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隊。在田海東眼里，二維材料是凝聚態(tài)實驗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)系推動實驗室的導師，在學術(shù)上嚴格要求，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生，跟國內(nèi)外優(yōu)秀學子還有一些差距，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)對接下來的機遇和挑戰(zhàn)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05576-2
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