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

提到同時發(fā)布到 Nature 正刊的原因，周昊欣說告訴 DeepTech，他和團隊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)電子磁性和超導的神奇性質(zhì)。成果意義相對重大，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引發(fā)的費米面不穩(wěn)定性及其導致的關(guān)聯(lián)電子磁性。

利用電容和輸運測量，周昊欣和團隊觀察到對載流子濃度和電位移場的調(diào)節(jié)可以引發(fā)一系列的相變，量子振蕩測量表明這些相中的電子具有有四重、二重或一重的簡并度，分別對應于自旋和谷簡并的 “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)”。

在導帶中，主要的實驗結(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。在價帶中，周昊欣和團隊觀察到一個更復雜的相圖，它是由磁性相變和費米面拓撲性質(zhì)的改變共同導致的。

最后，周昊欣通過對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，周昊欣和團隊發(fā)現(xiàn)在這一體系中超晶格僅會對同位旋的相圖產(chǎn)生微擾，當遷移的的半金屬或四分之一金屬態(tài)所對應的載流子濃度剛好可以填滿超晶格能帶的二分之一和四分之一時，莫爾勢就會導致關(guān)聯(lián)電子絕緣態(tài)的形成。

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

他告訴 DeepTech，第一篇論文主要講的是在相關(guān)體系中，通過對它的載流子（音）濃度和電場的調(diào)控，來從一個普通的物態(tài)（音）變成一個鐵磁性的物態(tài)。研究中，他還對測量到的相圖做了全面分析，然后所研究的對象其中有磁性，然后通過一個理論模型和相圖（音）作比較，從而對相吐做以全面了解，整體上做得比較全面和系統(tǒng)。

事實上，這兩篇論文研究相同的體系，但側(cè)重的現(xiàn)象不同。

觀察到超導現(xiàn)象，并討論了可能的超導機制

關(guān)于《菱面體三層石墨烯中的超導性》（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相對簡單的電子系統(tǒng)中觀察到超導現(xiàn)象，并對超導產(chǎn)生的機制作了討論。

他在論文中表示，近年來，在石墨烯摩爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了超導性，但其中許多結(jié)構(gòu)在機械上并不穩(wěn)定，實驗顯示了強無序的特征。

研究中，他報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КF(xiàn)象。

超導性發(fā)生在載流子濃度 - 電位移場相空間中兩個不同的區(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大于超導態(tài)的相干長度。

通過對正常態(tài)費米表面的量子震蕩測量，可以發(fā)現(xiàn)這兩種超導態(tài)都處于具有環(huán)形費米海的簡并相中，并且臨近同位旋對稱破缺的相。

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

期間，周昊欣和團隊討論了導致超導的各種可能的機制，包括傳統(tǒng)的聲子介導配對，由同位旋序漲落產(chǎn)生的配對，以及環(huán)形費米液體不穩(wěn)定性導致的電子配對。

他在一個高度有序且結(jié)構(gòu)簡單的二維金屬中觀察超導現(xiàn)象，這為研究超導的產(chǎn)生機制提供了一個理想的模型。

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

在后者中，摩爾勢只會對在微擾的層面改變?nèi)龑邮┑碾娮有再|(zhì)， 其中所觀察到的超導很可能對應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稱性；然而，它們與 RTG 有幾個共同的特征，包括大的態(tài)密度和同位旋對稱性的破缺。

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

他告訴 DeepTech， 石墨烯是一個高度有序且有很大的調(diào)制自由度的電子系統(tǒng)。對其中關(guān)聯(lián)電子現(xiàn)象的建模相對容易，這對完善現(xiàn)有的磁性以及超導的一般理論有很大的意義。與石墨烯相比，很多常見超導材料結(jié)構(gòu)一般相對復雜且高度無序，對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現(xiàn)象，最終以兩篇文章分別發(fā)表的形式進行。

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

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

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

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

周昊欣生于 1992 年，來自內(nèi)蒙古省包頭市。之所以對物理感興趣，原因之一也在于家庭影響。小時候周昊欣爸爸做機械相關(guān)工作，從小就帶他去工廠認識汽車和零部件。

不過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院下面一個理科實驗班。在此之前，正常參加的高考，并沒有跳級或提前進入大學。但是在進入本科之后，第一年可以自由選專業(yè)，最終他選擇了物理學專業(yè)。

他告訴 DeepTech，在中國科大讀書時，老師比較重視基礎教育，平時的課程、作業(yè)、考試都要求比較高。經(jīng)過這樣的訓練之后，不管天賦如何，可能都會在基礎物理知識方面取得較大進步。期間，他還加入了一個二維材料的理論計算組，正是在該實驗室，他第一次接觸到石墨烯領(lǐng)域，并開始產(chǎn)生興趣。

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

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

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