读博2年样品都做不出！这位“普通男孩”收获首个重要成果

读博2年样品都做不出！这位“普通男孩”收获首个重要成果

文 ｜《中国科学报》记者 沈春蕾

“我本科成绩不是很理想，不能直接申请出国读博。如今博士研究生即将毕业，还没有定好去哪里。”从浙江大学到北京大学，再到美国俄亥俄州立大学，田海东称自己是一个走一步看一步的人。

就是这样一个觉得自己很普通的男孩，却十分痴迷于物理实验。他在实验中发现，当两层石墨烯偏转到某个精确角度时，可以变为超导体，并且证明量子几何在其中发挥了关键作用。2月15日，这项研究在Nature发表，这也是田海东担纲一作的第一篇Nature论文。

“我在开始读博的两年时间里没有任何进展，那时连扭曲石墨烯的小角度都做不出来。”田海东并没有就此放弃，一门心思钻研如何改进样品的制备方法，在着魔般追求石墨烯偏转角度的同时，他也收获了自己科研路上的第一个成果。

遇到“魔角”

偏转的双层石墨烯器件 受访者供图（下同）

石墨烯是近年来材料领域的研究热门。它是一种‎由碳原子构成‎的单层片状结‎构的新材料。

2018年，麻省理工学院的研究团队发现，在适当条件下，如果将一层石墨烯放置在另一层石墨烯上，并将这两层石墨烯偏转到特定角度——1.08°时，就会出现神奇的超导现象，可以无损耗地传输电能。

从那以后，这个角度也被称为“魔角”。研究人员开始研究这种偏转的双层石墨烯，并试图弄清楚“魔角”是如何工作的。

2019年，田海东所在研究团队在Science Advance上发表了他们的研究成果，发现超导现象在0.93°转角的样品中依然存在。“这个转角要比理论上预测的‘魔角’小15%。”田海东介绍，“我们团队率先在实验中发现，转角对超导的限制相对来说没有那么严苛。”

在Nature这项研究之初，田海东在制备样品时就被卡住了，他不能很好地控制偏转角度。而这项研究对转角的精确控制程度要求非常高，在此前提下，才能进一步探讨扭曲石墨烯在转角非常接近“魔角”时的输运性质。

从不能控制转角到精确控制转角，对田海东来说并非偶然，而是付出无数次坚持与努力的结果。

在理论上，当转角为“魔角”时，电子运动速度为0；当转角稍微偏离“魔角”0.02°时，电子运动速度就会达到5000米/秒。“由此可见，电子运动速度对转角是极为敏感的。”田海东说。

田海东称自己很幸运地制备了一个样品，其电子的运动速度大约为1000米/秒，并通过实验观测到量子几何对超导的贡献。

为什么要引入量子几何？田海东解释道：“我们制备的样品非常接近‘魔角’，按照凝聚态物理学标准，电子运动几乎被阻止，但该样品还是显示出了超导性。对此，我们不能用电子的速度来解释扭曲的双层石墨烯是如何工作的，不得不使用量子几何。”

田海东

误差与运气

石墨烯样品的转角在接近“魔角”的同时，还要有更高的质量，这是实验的一个难点。

“转角对‘魔角’的偏离是随机的，并且无法在现有实验条件下消除。”田海东告诉《中国科学报》，“我们只能通过不断摸索和改进样品制备工艺，将误差降低到0.1°左右，而小于0.02°的误差就真的需要好运气了。”

好运气不会从天而降。实验进展缓慢曾给田海东带来很大的心理压力，导师刘津宁（Chun Ning Lau）教授帮他联系到一位从组里毕业的师兄，来向他传授经验，让他可以把心思完全放在改进样品制备方法上。田海东从不必要的精神内耗上脱离出来，慢慢地做出来的样品也越来越好。

在之前大部分“魔角”石墨烯的研究中，能观测到超导现象都是非常有挑战性的工作；而要观测到量子几何对超导的贡献，更是难上加难，因为需要把电子运动的速度降下来。

为此，田海东在实验中不仅展示了慢速运动的电子，还给出了比之前研究更精确的电子运动测量。

这项研究最大的亮点是，当电子运动速度极低时，存在超导和输运现象。然而，这有悖于传统上对超导和输运的理解，因为移动如此之慢的电子，本来应该不能导电。

“上述亮点也是我们投稿Nature的原因，我们的发现更偏重基础性，尤其可以加深对高温超导机制的理解。”田海东说，“在审稿过程中，审稿人提出要求验证极低电子速度在平带中存在的合理性，这也在后续制备的样品中得到了验证。”

在投稿后快一年时间的修改中，田海东发现，如何跟编辑和审稿人进行有效的沟通，也是一门很讲究的学问，需要不断的学习和改进。

田海东做实验中

羽翼未丰

谈及自己的求学之路，田海东有点惭愧地告诉《中国科学报》：“在浙江大学读本科期间，我没有想过以后自己要做什么。”

本科临近尾声，田海东选择考研。在北京大学物理学院读硕期间，他获得了北京大学2015-2016学年国家奖学金，也坚定了自己学习物理的决心。

2017年，田海东来到俄亥俄州立大学攻读博士学位，恰逢刘津宁和Marc Bockrath两位教授的团队刚被从加州大学河滨分校挖过来，实验室都没有搭建好。

入学后，俄亥俄州立大学物理学院组织了由Jonathan Pelz主持的对每一位新同学选择导师的指导。“Jonathan Pelz教授获知我希望从事有关二维材料的凝聚态物理实验研究工作后，力荐了刘津宁教授和Marc Bockrath教授。”田海东回忆道，自己在2017年11月加入了刘津宁的团队。

在田海东眼里，二维材料是凝聚态实验一个非常活跃的分支，很多有趣的物理研究都是在二维材料这个平台上进行的。

“不仅可以从事自己喜欢的研究，还遇到一位可以帮忙联系推动实验室的导师，在学术上严格要求，又在生活上给予关心。”田海东表示，通过刘津宁的言传身教，自己逐渐适应象牙塔内外的工作和生活。

“我就是一个普通的学生，跟国内外优秀学子还有一些差距，不管是文章，还是理论知识储备都需要积累。”谈及未来，田海东称自己还没有仔细规划过，现在需要做的是努力让自己的羽翼丰满起来，才有资格应对接下来的机遇和挑战。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05576-2