上海交大夫妻联手发Nature：“同为科研人，更能体谅对方”

 

文|《中国科学报》记者 张晴丹

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

学术圈里的“夫妻档”很常见，但能够一起做同一项研究的并不多。

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，夫妻俩却意想不到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。这篇论文近日发表于Nature。

李听昕和刘晓雪受访者供图

“一拍即合”做出顶尖成果

早在2022年，美国加州理工学院教授Stevan Nadj-Perge课题组发表了一篇arXiv预印本论文，给李听昕和刘晓雪带来启发。

“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，这里面还有很大的空间可以挖掘。”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，但是其超导态其实并未被完整地表征出来，主要原因就是之前实验所加的电场比较受限，只能到1 V/nm。我和李老师讨论达成的共识是，我们可以把电场推到更高。”刘晓雪说。

而且，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，没有人研究电子掺杂，李听昕和刘晓雪“一拍即合”，决定开辟这个“无人区”。

李听昕在美国康奈尔大学做博士后期间，研究兴趣集中在二维层状半导体及其莫尔超晶格系统，其间积累了许多实验技巧，因此对提升电场强度很有把握。

石墨烯研究已有20年历史，一个材料之所以反复研究还能出惊喜，其中一个重要原因在于器件质量的不断提升。随着做法的改进、加工工艺的精细化，石墨烯中的缺陷越来越少。而缺陷减少，杂质效应就会被压制，以前被杂质效应所掩盖的一些非常有趣的物理现象便开始显现。而刘晓雪在美国布朗大学做博士后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，两个结合起来让研究变得十分棘手。夫妻二人开启了经验值叠加的默契配合之路。

“在当时，从已经发表的文献看能实现1 V/nm的垂直电场已经算是一个极限，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，可以说是世界上第一个能实现这么高电场的高质量石墨烯样品。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。这是令人很兴奋的。”李听昕介绍。

此次发表的Nature论文

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Pablo Jarillo-Herrero教授课题组的博士生曹原在Nature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的研究方向。从此，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，无数科研人员聚焦其中试图重复、拓展相关研究。

相比而言，双层石墨烯是一种稳态的结构，是天然石墨的基本组成单元，然而基于这个结构，能在这个体系中观测到超导的，之前全球只有两个课题组，第一个是最早发现双层石墨烯超导的美国加州大学圣巴巴拉分校Andrea Young课题组（文章发在Science），第二个则是前文提到的加州理工学院的Stevan Nadj-Perge课题组（文章发在Nature）。这两个课题组之间还进行了一些合作。

在李听昕和刘晓雪的这篇论文发表前，研究者们只在单晶石墨烯空穴端发现超导态，从未在其电子端观察到超导态。而且论文中还指出了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。Nature编辑也深知这项研究的重要价值，经过专业的审稿流程，很快便接收了该论文。

由此，李听昕和刘晓雪也成为了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的喜悦之情溢于言表，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，并且在此基础上又有新的发现。

与魔角石墨烯超导研究在Nature和Science上发表的论文数量相比，双层石墨烯超导则显得“势单力薄”，距离上一篇顶刊论文发表已过去两年。李听昕和刘晓雪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”

这项研究从一开始到最终完成，任何一个环节做得不到位，可能都会以失败告终。这期间，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。

接下来，要深入研究样品的物理性质，就需要把它放到极端条件下进行系统地输运测量。然而，当时必须用到的稀释制冷机（可实现最低温度在10mK左右），受到国际设备禁运的影响，课题组无法购买到设备，亦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，前往北京市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。

“这期间，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，中间的各种变量才是常态。”李听昕说。

对此说法，刘晓雪表示同意，“有时候还要平衡科研和家庭的关系”。

其实，这已经不是俩人第一次合作。去年8月，他们跟美国的一个课题组同时在arXiv预印本网站上发表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去怀柔用极端条件实验装置测量。“那会儿，6月底7月初要去北京进行稀释制冷极低温测量时，正好赶上我要去医院生孩子，李老师立马退掉了当天前往北京的高铁票，陪伴左右悉心照顾我。等我和孩子出院后才又马上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，所以这一重大成果也受到了领域内的广泛关注和高度评价。

“有了孩子以后会发现更难，刘老师尤为辛苦。不得不感慨女性为家庭的牺牲和付出是伟大的，她们的时间被大大压缩，我们合作的科研工作收到很多学术会议的报告邀请，也只能我去，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。之前我们在美国做博士后的时候是异地恋，一年也就见两三面，后来李老师比我早回国，我俩又异国恋一年，但感情一直很稳定，就是因为已经习惯这种相处模式了。同为科研人，所以更能体谅对方。”刘晓雪说。

夫妻二人表示，他们未来还会开展更多的合作，争取做出更多杰出的科研成果。对于科研夫妻来说，最独特的浪漫，大约就是“我的论文上恰好也有你的名字”吧。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w