他们在双层石墨烯领域碰出新火花

■本报记者 张晴丹

当平常夫妻在讨论柴米油盐时，上海交通大学副教授李听昕和刘晓雪这对科研眷侣却在讨论“实验为什么会出现这个现象呢？我们一起研究一下”。

其实，李听昕主要做二维层状半导体研究，刘晓雪擅长的领域则是石墨烯超导。原本是不同的两个方向，夫妻俩却意外地碰撞出全新的火花——首次在单晶双层石墨烯与二维半导体的异质结构中观测到电子掺杂的超导态。相关论文近日发表于《自然》。

一拍即合做出顶尖成果

美国加州理工学院教授Stevan Nadj-Perge课题组2022年在预印本平台arXiv公布的一项研究成果，给李听昕和刘晓雪带来了启发。

“把晶体双层石墨烯和单层半导体二硒化钨结合在一起，可以看到本征的双层石墨烯的超导态被显著增强，这个现象太有趣了，其中还有很大的挖掘空间。”李听昕表示。

“我们发现双层石墨烯和二硒化钨贴合形成异质结构后，性质变得非常丰富，但是其超导态并未被完整地表征出来，主要原因是之前实验所加的电场受限，只能到1V/nm。我和李老师讨论后达成的共识是，可以把电场推到更高。”刘晓雪说。

大部分课题组在这种非转角石墨烯体系中，一直都是围绕空穴掺杂的超导情况开展研究，没有人研究电子掺杂。李听昕和刘晓雪一拍即合，决定开拓这个“无人区”。

李听昕在美国康奈尔大学从事博士后研究期间，兴趣集中在二维层状半导体及其莫尔超晶格系统的研究上，其间积累了许多实验技巧，因此对提升电场强度很有把握。而刘晓雪在美国布朗大学从事博士后研究期间的主要研究内容是转角石墨烯超导，对制作高质量样品有着丰富的经验。

既要保证样品质量，又要加大电场，两者结合起来让研究变得十分棘手。于是，两人开启了经验值叠加的默契配合之路。

“当时，从已经发表的文献来看，能实现1V/nm的垂直电场已经是极限了，我们带领学生通过优化样品制备方法，将所加电场的极限推高到1.6V/nm，得到的高质量石墨烯样品可以说是世界上第一个实现这么高电场的。得益于能够给样品施加超过前人研究的高电场，我们第一次在晶体石墨烯的电子端通过栅极静电掺杂发现了超导态。这令人兴奋。”李听昕介绍。

全球第三个成功的课题组

在2018年以前，双层石墨烯已经被反复研究过，学者普遍认为这个领域不会再溅起新的水花。

直到2018年，美国麻省理工学院教授Pablo Jarillo-Herrero课题组的博士生曹原在《自然》发表两篇重磅论文。他们发现了魔角石墨烯体系的超导电性，开辟了凝聚态物理研究的一个新方向，掀起了魔角石墨烯超导和二维材料莫尔超晶格的研究热潮。无数科研人员聚焦于此试图重复、拓展相关研究。

相较而言，双层石墨烯是一种稳态结构，是天然石墨的基本组成单元。然而，之前全球只有两个课题组基于该结构，在这个体系中观测到超导，第一个是最早发现双层石墨烯超导的美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Andrea Young课题组，第二个是Stevan Nadj-Perge课题组。这两个课题组之间还开展了一些合作。

在李听昕和刘晓雪的这篇论文发表前，研究人员只在单晶石墨烯空穴端发现了超导态，从未在其电子端观察到超导态。

李听昕和刘晓雪的论文指出，电子端超导态跟空穴端超导态相比，在性质上存在许多区别。由此，李听昕和刘晓雪的课题组成为全球第三个在单晶石墨体系中观测到超导态的课题组。

其中一名审稿人看到文章时，喜悦之情溢于言表，他很欣慰除了前两个课题组之外，还有其他课题组能够重复之前的实验结果，并有新的发现。

李听昕和刘晓雪的这篇论文首次在单晶双层石墨烯中观测到电子掺杂情况的超导电性，这对于理解晶体石墨烯及转角石墨烯系统的超导机理、设计制备基于石墨烯系统的高质量新型超导量子器件等具有重要意义。

同为科研人，更能体谅对方

这项研究从开始进行到最终完成，其中任何一个环节做得不到位，研究都可能以失败告终。其间，李听昕和刘晓雪亲自传授刚入组的博士生李楚善器件制备技巧，确保做出好样品。

想深入研究样品的物理性质，需要把它放到极端条件下进行系统的输运测量。然而，受国际设备禁运的影响，课题组无法购买到当时必须用到的稀释制冷机，因此无法开展样品超导态性质的研究。

为了继续相关实验，李听昕和刘晓雪及课题组研究生带着筛选好的样品，前往北京怀柔科学城，使用中国科学院综合极端条件实验装置的稀释制冷机开展测量工作。

“由于测量时间受限，我们从上海到北京往返了三趟，其间还要特别注意保护脆弱的石墨烯样品。不过做研究就是这样，过程永远不可能一帆风顺，中间有各种变量才是常态。”李听昕说。

对此，刘晓雪表示赞同，“有时候还要平衡科研和家庭的关系”。

其实，这已经不是两人第一次合作。去年8月，他们和美国的一个课题组同时在预印本平台arXiv公布了有关分数量子反常霍尔效应的首个确凿实验证据，当时那个实验也需要到北京怀柔用极端条件实验装置测量。

“去北京进行稀释制冷极低温测量时，正赶上我生孩子，李老师立马退掉了当天前往北京的高铁票，陪伴左右、悉心照顾。等我和孩子出院后才带着学生去北京测量。”刘晓雪说。

克服了重重困难，这项成果最终于去年9月正式发表在《物理学评论X》上，分数量子反常霍尔效应的实验观测是凝聚态物理学家长期以来追求的目标，所以这一重大成果得到了领域内的广泛关注和高度评价。

“我们合作的科研工作收到很多学术会议的报告邀请，可惜只能我去，因为孩子太小离不开妈妈。”李听昕表示。

“好在我俩都是非常理性的人，任何事情都是有商有量、相扶相携。之前我们在美国从事博士后研究时是异地恋，一年也就见两三面，后来李老师比我先回国，我俩又异国恋一年，但感情一直很稳定，因为已经习惯这种相处模式了。”刘晓雪说，同为科研人，所以更能体谅对方。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07584-w