开启二维量子材料新世界

在今年全国两会上，科技部部长王志刚表示，要更加鼓励青年科技人员投身基础研究。此前在国新办发布会上，科技部也表示，国家科技计划在“十四五”期间，要全面推行青年科学家项目。

挑战最难科学问题，在基础研究的“无人区”里竞赛，江苏一批优秀青年科研人员正在挑起大梁。二维量子材料、微纳尺度材料、光通信关键技术……他们紧扣国家战略，瞄准国际前沿科学方向，自由探索、大胆创新。在他们看来，基础研究领域充满未知和奇特现象，也充满无限可能和机遇。

开启二维量子材料新世界

二维量子材料，可谓是材料界的一场革命，也是国际凝聚态物理的前沿热点,其突破将带动电子、能源等一系列产业带来颠覆性变革。

什么是二维量子材料？南京大学物理学院教授王雷长期从事二维量子材料的电学输运性质的研究，他告诉记者，量子效应通常发生在尺寸很小的（几十纳米以下）微观世界，在二维量子材料中，电子仅可在两个维度上运动,而另一个维度被限制在单层原子尺度，“简单来说，该材料具有长和宽，而只有一个原子的‘厚度’。正因为维度的下降，二维材料会呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性。”

南京大学物理学院教授王雷

在二维量子材料中，知名度最高的是石墨烯。“2004年，英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和他的博士后分离出石墨烯，第一次发现二维材料，并因此获得2010年诺贝尔奖。”王雷告诉记者，到2010年左右，人类在实验上可以获得的二维材料已经从一种扩展到了几十种。近十年来，这个领域飞速发展，到2020年，科学家们统计实验上可分离出的二维材料数目已经多达近2000种， 涵盖了金属、半金属、半导体、绝缘体、超导体、拓扑材料等等。其中过渡金属硫族化合物(TMD)就是二维材料家族的重要分支，与石墨烯的零带隙的导体属性不同，部分TMD二维材料是具有带隙的半导体，理论上是将来有望打破硅基芯片垄断的候选材料之一，“相比硅基芯片，TMD二维材料具有更高的载流子迁移率，也有更高的开关比，同时其天然的小尺寸与优越的散热性能，有望让芯片变得更小更快更节能。”

尽管二维材料越来越多，但从基础科研角度来讲，材料的维度降低以后，还有很多纳米科学和表界面科学相关问题待解，这也是二维材料研究目前面临的难题之一。

“要观察和了解二维材料新颖的物理现象，首先要做到二维材料的高品质。”2010年，还在哥伦比亚大学博士求学期间，王雷就瞄准了高质量的二维材料器件，王雷科普道，“由于二维材料只有一层原子厚，上下两面都暴露在外，缺陷、杂质在所难免。”

在读博的头三年时间里，王雷没有发一篇论文，钻研降低缺陷、提高器件品质的方法，最终发明了二维材料的pick-up转移和堆积技术，“通俗地说，在微观世界里我用一片绝缘的六方氧化硼（hBN）拿起石墨烯，再放在另一片hBN上，实际上将石墨烯‘封装’了起来。”2013年的这项研究突破性地提高了二维材料的电子器件质量，所测量的石墨烯电子迁移率首次达到理论上的预测值，这个值在目前仍然是领域内的世界纪录，成果发表在《科学》杂志上。

除了为二维材料电子器件的“高品质”带来突破，这个研究的后续衍生发展让王雷出乎意料，此研究中所发明的二维材料pick-up转移和堆积——“搭积木”——的技术，开创了“二维材料异质结”这个新的研究领域。科学家开始用“pick-up”的技术将几种不同的二维材料垂直堆叠起来，形成了许多新奇的异质结构，在这个领域上国内外多个团队取得了重要科研成果。

“在基础研究领域，一个技术难题的攻克，往往会带来一系列的科学上的突破。”王雷表示，后面自己很多研究也因此而“水到渠成”，包括实验观测到霍夫施塔特蝴蝶能谱、随外电场可调控的分数量子霍尔态、量子分形体系中的反常分数量子霍尔态、单层原子上的随应力可调控的极化电荷、石墨烯超快表面等离激元、双层石墨烯上的随外电场可调控激子等。就在去年，王雷教授课题组与来自德国马普物质结构和动力学研究所，美国哥伦比亚大学物理系的研究小组合作，在双层转角过渡金属硫化物（WSe₂）中发现电子关联绝缘态。目前王雷在二维量子材料的电输运，电子关联体系等物理性质上作出的一系列一流科研成果，其中有9篇分别发表在《科学》《自然》正刊上，13篇在《自然》子刊上。

在王雷看来，二维量子材料有巨大的潜力等待科学家们去发掘，尽管在取代硅基芯片方面，二维半导体材料还有瓶颈：“要应用在规模化高端器件上，目前二维量子单晶材料，还很难在生产线上高质量、大规模，大面积，低成本的制备。”王雷表示，二维材料是否会是引领未来芯片的发展仍是未知，但二维材料的新世界已经开启，包括石墨烯在内的二维材料还有更多的物理特性等待科学家们去发掘。

探究微纳材料的物理力学本质

21世纪，机械系统进入了微米和纳米尺度的时代，微纳尺度材料的特异物理、化学、力学性能为各领域所瞩目，探索微纳尺度材料的物理力学本质，通过力学作用调控材料的性质，是基础研究的一个重要方向。

南京航空航天大学航空学院教授郭宇锋介绍，在微纳尺度的物理力学，与宏观世界成熟的力学规律不一样，原子、分子间在微纳尺度有复杂的相互作用,其力学性质比如弹性模量、抗压强度等本身就与宏观尺度的材料不同，“我们不仅要发现它的机理，还要通过力学的作用来调控它的物理化学性质。”

南京航空航天大学航空学院教授郭宇锋

作为国际热门研究方向，我国在微纳尺度的物理力学研究上，与国外齐头并进，各有特色。在郭宇锋看来，这是一个充满未知和奇特现象的领域，“比如有些低维度材料，本身导电性不太好，但微纳尺度下的某种固体和液体表面发生一个摩擦时，却发生了显著的电荷转移。摩擦大小和发电之间的关系到底是什么？”郭宇锋说，这背后的原理和机制，让人充满了好奇。

“从长远来说，我们类似这样，通过力学作用调控微纳尺度低维材料的各种性能，为新型功能器件和微纳机电系统提供基本原理和机制。但基础研究的特点在于不可知，在于充满无限可能。”郭宇锋认为，对于基础科研而言，首要的是发现新奇的现象，解释清楚现象背后的机理，发现用途后再设法在技术上实现，那就是应用研究的开始。科学理论的探索和工程问题的解决，总是相互依赖、相互促进的，“我们有的基础科研是面向未来的工程需求，有的也是直接解决目前重大工程中的卡脖子问题。”

当代基础研究的显著特征，是不同学科间的交叉、渗透、融合的趋势日益增强。郭宇锋告诉记者，微纳尺度的物理力学属于交叉学科，包括力学、物理、化学以及材料多学科的知识，“对低维度材料施加力，会产生应变梯度，从而让原子上的电荷产生极化，电极化强度与应变梯度之间又会产生力电耦合，需要用多学科的知识来解释微纳世界里的物理力学现象。”

近年来，郭宇锋针对低维材料的界面作用与力学性能、力电耦合与器件原理等重要科学问题开展了深入的多学科交叉研究，揭示了表面功能化改变低维材料界面相互作用和摩擦行为的原理和机制、石墨烯水伏发电器件中基底电负性和含离子水的协同效应、低维材料的挠曲电效应和摩擦压电性以及缺陷影响低维介电材料电磁吸收能力的机理，发表SCI 论文 50余篇，研究成果被SCI他引1170余次。

抢占世界光通信核心位置

“十四五”规划中提到，要坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国。面对数字化浪潮，包括云计算、大数据、AI及5G在内的种种趋势都在促成新一轮的网络重构。工业互联网、物联网等新型基础设施建设进一步加快，对新基建主力军——光通信行业提出更高的要求。

从T比特到百T比特，再到如今正在研发中的P比特，南京信息工程大学物理与光电工程学院院长刘博及其团队随着国家战略的不断升级，研究项目也不断升级。2019年，他团队承担了P比特级光传输系统与关键技术研究国家重点研发计划，目前正在火热研发阶段。

现有的光纤通信系统几乎都是T比特量级，而一个P等于1000个T，做P比特级光传输系统就相当于把目前的容量提升1000倍。”刘博告诉记者，随着各类应用不断升级，物联网会发展到何种程度无法想象，但可以肯定的是目前光纤架构难以支撑不断发展的需求。“如果把现有的光纤比作绿皮火车，未来的则是高铁，两者的轨道不能适配，重新设计系统也就势在必行。”

从百T比特量级到P比特并不只是扩容那么简单，而是一个涉及多环节的系统性工程。耦合器、信号放大器、前后端信号的调制、解调、探测、接收、处理等都要重新制定标准，光纤也将由单模单芯变为少模多芯。“从世界范围来看，各国基于少模多芯的专利并不多。在无人区里竞赛，要尽早拿出成果才能抢占核心位置。”

没有前人的经验可以借鉴，从光纤本身到器件都需要自主研发。对我们国家来说有机会在这一领域实现弯道超车，领先世界一个身位。但同时，光通信系统的研发也面临很大的挑战。

刘博介绍，单以光纤为例，从结构的设计到制作工艺每一个步骤都很有难度。光纤是一种非线性的介质，信号受到的损伤是不定的，少模多芯初步设计的19芯4个模式结构，意味着信号从单车道变为“76车道”并行。如何保证信号正确接收而不串扰？在制作环节，如何同时对19个预制棒加热，拉制头发丝粗细的光纤？一个个问题都有待探索。

做应用基础研究好比上台阶，既是新的突破，也源自以往的积累。“技术是有传承的。”光纤设备落地应用中遇到的站点距离不等、特殊场景下因天气因素可能影响信号等诸多问题，都会回归到实验室中变成理论突破的关键点，再投入应用解决实际问题，循环往复直到有能力支撑大规模商用落地。遵循“十年周期法则”，光通信系统的研究也是着眼未来，具有战略性、先导性和引领性。“我们青年科研人员要提早布局，敢做能‘捅破天’的事情。”

作为“追光者”，对光通信系统的研究不会止步于此。刘博团队在做好光信号大容量长距离传输系统研发的同时，还在光网络物理层安全方面做一些前期论证，期待能在保证大容量的前提下，保障骨干通信网中的安全问题。“光纤除了可以做通信，也是很好的感知器件，未来的系统更应该是感传一体的。这些方面都亟待我们去探索。”

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