一開始許楊對這個(gè)課題不報(bào)太大希望，他實(shí)在沒想到最終能夠取得如此突出的成果。
6月30日，距離許楊回國已經(jīng)過去了兩年半，他與他的第一位博士生胡倩穎以及合作者在Science雜志上發(fā)表了一篇引人注目的研究成果。
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他們通過突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件，不再局限于極低溫、超高真空和強(qiáng)激光等苛刻環(huán)境，而是在相對常規(guī)的條件下"捕捉"并"操縱"了一種名為里德堡激子的準(zhǔn)粒子。在準(zhǔn)粒子的世界中，里德堡激子不僅擁有巨大的體積，還具備超強(qiáng)的力量，有望在量子計(jì)算和量子模擬等研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
里德堡激子這種準(zhǔn)粒子并不常被提及。在三年前，許楊還在康奈爾大學(xué)做博士后研究員時(shí)，他就意識到里德堡激子的存在，并認(rèn)識到它有可能成為觀測和研究量子世界的重要工具。從那時(shí)起，他開始了對這個(gè)領(lǐng)域的不斷探索，如今終于實(shí)現(xiàn)了將其"牢牢抓住"的目標(biāo)。因?yàn)橹挥性谡嬲斫夂驼莆樟死锏卤ぜぷ雍螅拍軐⑺l(fā)揮出更大的應(yīng)用價(jià)值。
過去的九年里，許楊在研究低維電子體系的新奇物性方面取得了豐碩的成果：他以第一作者或通訊作者的身份，在Nature雜志上發(fā)表了一篇文章，并在Nature子刊、Physical Review Letters以及Physical Review X等領(lǐng)域也發(fā)表了多篇論文。
在2020年12月，許楊加入了中國科學(xué)院物理研究所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室，并擔(dān)任特聘研究員。在接受采訪時(shí)，許楊表示，能夠在這里進(jìn)行獨(dú)立的研究，并享受自由的科研氛圍，使他迅速成長為一名獨(dú)立的主要研究員，并在自己感興趣的領(lǐng)域中發(fā)揮出個(gè)人的專長。
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許楊（左）與胡倩穎，受訪者供圖
一次“無心插柳”
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2023年2月15日，許楊把文章投稿給了Science雜志。4月6日，他收到了審稿人和編輯的反饋，提出了一些細(xì)節(jié)問題，并給予了6周的修改時(shí)間。提交修訂后的論文一周后，他收到了一封郵件，內(nèi)容是“接收”。
對于那些一般需要經(jīng)歷2-3輪審稿，每次修改需要3個(gè)月時(shí)間的高水平期刊來說，這個(gè)速度讓許楊感到非常驚喜，也讓胡倩穎措手不及。
起初，這個(gè)課題只是個(gè)備用計(jì)劃，他們都認(rèn)為它并不是重中之重。
2021年春天，當(dāng)時(shí)還在南開大學(xué)攻讀研究生的胡倩穎加入了許楊的課題組，經(jīng)過一年的時(shí)間，她成功進(jìn)入中國科學(xué)院物理研究所攻讀博士學(xué)位，成為許楊的第一個(gè)博士生。胡倩穎當(dāng)時(shí)主要研究單層黑磷，但長時(shí)間以來一直沒有取得什么結(jié)果，讓她感到困擾和沮喪。
"里德堡激子探測"是許多年前許楊一直從事的研究課題，胡倩穎對此非常感興趣，并且這個(gè)課題相對來說比較穩(wěn)定，于是她提出了想同時(shí)進(jìn)行這兩個(gè)課題的想法，并得到了導(dǎo)師的同意。
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圖1 TBG莫爾超晶格之間相互作用的示意圖
事實(shí)上，近幾年來，許楊和他的合作者們發(fā)展了一種名為"里德堡激子探測"的光學(xué)方法。另外，由兩個(gè)單原子層的石墨烯疊加而成的轉(zhuǎn)角石墨烯因其獨(dú)特的物理特性而受到許多科學(xué)家的關(guān)注，他們試圖使用各種方法來尋找轉(zhuǎn)角石墨烯中的量子物態(tài)。
"大多數(shù)發(fā)現(xiàn)都基于電學(xué)方法，而光學(xué)探測具有更高的空間分辨率，我們想用光學(xué)方法來驗(yàn)證轉(zhuǎn)角石墨烯中的量子物態(tài)。"許楊告訴記者，盡管這可能沒有太大的意義，但總歸也沒有壞處。
當(dāng)時(shí)，許楊剛剛回國不久，實(shí)驗(yàn)設(shè)備還沒有完全搭建好，實(shí)驗(yàn)室還在建設(shè)中，各方面條件都不是很便利。幸運(yùn)的是，中國科學(xué)院物理研究所具有良好的合作氛圍，他們得以借用極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張清明的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來進(jìn)行驗(yàn)證。
然而，不久后，他們獲悉張清明的實(shí)驗(yàn)室即將搬遷。
"當(dāng)時(shí)距離實(shí)驗(yàn)只有一周時(shí)間，我知道在這一周內(nèi)不可能制備出單層黑磷樣品，但我可以制備轉(zhuǎn)角石墨烯樣品。"胡倩穎說道，"錯(cuò)過了這次測試樣品的機(jī)會(huì)，下一次就要等半年后我們自己的實(shí)驗(yàn)室建好之后了。"
在短短的一周內(nèi)，她制備了5個(gè)轉(zhuǎn)角石墨烯與單層二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)的樣品，并在測量過程中制備了幾個(gè)額外的樣品。有一次，她甚至一次性測試了4個(gè)樣品，充分利用了樣品持架上全部的空間，以節(jié)省測量時(shí)間。
正如他們預(yù)期的那樣，他們發(fā)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)角石墨烯和小角度轉(zhuǎn)角石墨烯樣品的光譜信號主要以"里德堡激子探測"機(jī)制為主，主要反映了介電函數(shù)的變化，例如在小角度轉(zhuǎn)角石墨烯樣品中探測到的一系列破缺對稱性的關(guān)聯(lián)電子物態(tài)。
意外的是，在另外一些樣品中，計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)了一個(gè)異常的"波浪形"光譜。在她制備的第8個(gè)、也是最后一個(gè)樣品中，他們測量到了這種"波浪形"光譜的角度依賴性，確認(rèn)了這不是偶然造成的幻覺，背后一定存在著真實(shí)的物理機(jī)制。
"非常漂亮，但我們?nèi)匀徊磺宄烤故窃趺椿厥隆?quot;師生兩人討論了多次，但始終沒有得出結(jié)論。
理論與實(shí)驗(yàn)的完美合作
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別人的實(shí)驗(yàn)室離開了，而自己的實(shí)驗(yàn)室還未建成，實(shí)驗(yàn)中斷了半年，但他們對于那些“異常”數(shù)據(jù)的思考卻從未停止。
半年后，他們終于收到了自己的儀器。在許楊的指導(dǎo)下，胡倩穎制備了更多的器件樣品，并再次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果卻出現(xiàn)了相同的圖像。
在一個(gè)轉(zhuǎn)角約為0.6度的石墨烯樣品中，他們通過調(diào)節(jié)柵壓來控制里德堡激子態(tài)，并觀察到了明顯的非單調(diào)紅移現(xiàn)象，能量最低處已經(jīng)接近基態(tài)激子。他們將這個(gè)現(xiàn)象命名為“里德堡莫爾激子態(tài)”。
“通常情況下，比如大角度的轉(zhuǎn)角石墨烯，隨著柵壓的變化，其能量應(yīng)該呈單調(diào)遞減。”胡倩穎解釋道。
經(jīng)過一年的探索，他們對這種現(xiàn)象的來源有了初步的猜測，并找到了武漢大學(xué)教授袁聲軍團(tuán)隊(duì)，他們利用最新開發(fā)的實(shí)空間大尺度計(jì)算物理方法進(jìn)行理論分析。
袁聲軍告訴說，轉(zhuǎn)角石墨烯體系的計(jì)算非常困難，與過去類似研究相比，計(jì)算量提高了幾個(gè)數(shù)量級。他們利用自主開發(fā)的大尺度計(jì)算物理方法，對包含近千萬個(gè)原子的超大體系進(jìn)行了精確的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)莫爾超晶格中空間電荷分布對這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象起到了關(guān)鍵作用。
“當(dāng)時(shí)我們最難理解的是非單調(diào)紅移現(xiàn)象的來源。雖然我們在計(jì)算出空間電荷分布后仍然無法理解，因?yàn)閷?shí)空間的電荷分布似乎也是單調(diào)的。”胡倩穎說，“我們經(jīng)常討論，但始終沒有答案，感覺整天都在夢中思考這個(gè)問題。直到有一天，我早上5點(diǎn)醒來，躺在床上想了一個(gè)小時(shí)，突然找到了答案。雖然當(dāng)時(shí)只有態(tài)密度數(shù)據(jù)，詳細(xì)的電荷分布還沒計(jì)算出來，但我望著寢室的天花板，我知道我猜對了。”
一個(gè)月后，0.6度轉(zhuǎn)角石墨烯的空間電荷分布結(jié)果終于出來了。
胡倩穎表示，單獨(dú)觀察某個(gè)區(qū)域，電荷密度的增長確實(shí)是單調(diào)的，但只要將最高和最低電荷密度的區(qū)域進(jìn)行減法運(yùn)算，一條熟悉的非單調(diào)曲線就會(huì)顯現(xiàn)出來，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎完全吻合。這是里德堡激子中的電荷在空間上分布在不同的層次區(qū)域所導(dǎo)致的直接結(jié)果。
在這個(gè)體系中，轉(zhuǎn)角石墨烯產(chǎn)生了周期性莫爾勢場，類似于冷原子體系中的光晶格，為里德堡激子提供了一個(gè)高度可調(diào)的束縛勢場。
這個(gè)勢場就像地勢一樣，有高峰和低谷。正如水流向低處，里德堡激子的一個(gè)電荷也會(huì)逐個(gè)跳到低谷，而當(dāng)它們跌入低谷時(shí)就被“囚禁”住了，這意味著科學(xué)家們“捕捉”到了里德堡激子。
“一直以來，里德堡激子態(tài)與周圍介電層之間的相互作用較弱，如何調(diào)控里德堡激子并實(shí)現(xiàn)強(qiáng)相互作用以及空間囚禁，一直是一個(gè)迫切需要解決的問題。”許楊說道。
如今回想起來，許楊仍然有些驚訝，他笑著說，“這個(gè)領(lǐng)域競爭非常激烈，國際上公認(rèn)為最頂尖的研究組織也在同時(shí)進(jìn)行這項(xiàng)研究。我們投稿一個(gè)月后，他們就在預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)布了他們的研究結(jié)果。如果我們再晚一步，可能就無緣參與了。”
圖片許楊課題組成員，受訪者供圖
“綠巨人”不好操縱
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里德堡激子被譽(yù)為激子界的“巨人”，它具有許多優(yōu)勢特性，比如可以在半導(dǎo)體中自由移動(dòng)，并能夠?qū)χ車h(huán)境的變化做出較大的響應(yīng)。
科學(xué)編輯部首次在固態(tài)體系中“捕捉”到里德堡激子，這也是一次備受科學(xué)界青睞的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。
就像電影《綠巨人》中所描繪的那樣，當(dāng)人類暴露于強(qiáng)大輻射后，會(huì)引發(fā)身體內(nèi)神秘力量的激發(fā)，從而變身成擁有超強(qiáng)力量的綠巨人。而這種實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)的情景，可以通過精心構(gòu)造的材料在固體中實(shí)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究開創(chuàng)了新的研究方向，具有重要意義。里德堡莫爾激子態(tài)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)地展示了對里德堡激子的可控調(diào)節(jié)和空間束縛，為在量子科學(xué)、技術(shù)等領(lǐng)域基于固態(tài)體系中的里德堡態(tài)應(yīng)用提供了一條潛在途徑。
對于許楊來說，這是他回國成為獨(dú)立PI (Principal Investigator) 后取得的又一項(xiàng)重要研究成果。
弱耦合和強(qiáng)耦合之間的交叉：
為了更好地揭示強(qiáng)耦合狀態(tài)的演變，作者制作了更多的器件，并測量了扭曲角度在——0.6°到1.23°之間的器件，表明XRM具有很強(qiáng)的層間庫侖相互作用。總之，作者開發(fā)并實(shí)驗(yàn)證明了一種利用長波莫爾勢在空間上限制和操縱里德伯激子的方法。強(qiáng)結(jié)合的XRM配合物可以被層間相互作用支配，并接近基態(tài)激子的能量。該系統(tǒng)可以通過靜電摻雜控制勢阱深度，通過扭轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)莫爾波長，并通過電子-空穴分離保證更長的使用壽命。這些特征將有助于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激相互作用和相干控制。
在他看來，突破性的自由探索研究很難在初期就有設(shè)計(jì)，大部分都是在“意外”發(fā)現(xiàn)之后，通過不斷思考和挖掘背后的機(jī)理而獲得的。
實(shí)際上，這也是里德堡莫爾激子研究中最具挑戰(zhàn)性的方面，它并非通過實(shí)驗(yàn)測得即可發(fā)現(xiàn)，而需要通過漫長的探索逐步揭開神秘的面紗。
“需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并與不同的合作者進(jìn)行不斷討論和交流，才能揭示其中與一些物理機(jī)制相關(guān)的發(fā)現(xiàn)，并產(chǎn)生真正有價(jià)值的科學(xué)成果。”
許楊和他的團(tuán)隊(duì)頻繁取得成果，離不開一直以來的“自由”氛圍。
“許老師允許他們開展個(gè)人感興趣的研究，而不是強(qiáng)加主題。”胡倩穎說道，“在環(huán)境上，他們也給予了我們很大的‘包容’。我住在天津，每周末都可以離開實(shí)驗(yàn)室回家，他從不要求我們‘加班’熬夜，工作氛圍輕松而不緊張……這項(xiàng)成果的取得就是自由寬松的環(huán)境下，對于大自然最純粹好奇心的回報(bào)。”
“許老師努力且善于溝通，有事情會(huì)和我們一起完成。”胡倩穎談到選擇年輕導(dǎo)師作為指導(dǎo)教授的初衷時(shí)說，實(shí)驗(yàn)室從裝修到搭建儀器，他從不作為一個(gè)“旁觀者”。
而他自己，在美國普渡大學(xué)和康奈爾大學(xué)時(shí)，導(dǎo)師們把他當(dāng)作獨(dú)立的科研人員培養(yǎng)，并給予了充分的發(fā)展空間，鼓勵(lì)他獨(dú)立開展科研工作。
“只有在自己感興趣的領(lǐng)域深耕，才能充分發(fā)揮自己的特長。”許楊說道。
