夫妻聯手發頂刊：同為科研人，更能體諒對方

文|《中國科學報》記者 張晴丹

當平常夫妻都在討論柴米油鹽時，上海交通大學副教授李聽昕和劉曉雪這對科研眷侶的畫風卻是這樣的：“實驗為什么會出現這個現象呢？我們一起研究一下。”

學術圈里的“夫妻檔”很常見，但能夠一起做同一項研究的并不多。

李聽昕主要做二維層狀半導體研究，劉曉雪擅長的領域則是石墨烯超導，原本是不同的兩個方向，夫妻倆卻意想不到地碰撞出全新的火花——首次在單晶雙層石墨烯與二維半導體的異質結構中觀測到電子摻雜的超導態。這篇論文近日發表于Nature。

李聽昕和劉曉雪受訪者供圖

“一拍即合”做出頂尖成果

早在2022年，美國加州理工學院教授Stevan Nadj-Perge課題組發表了一篇arXiv預印本論文，給李聽昕和劉曉雪帶來啟發。

“把晶體雙層石墨烯和單層半導體二硒化鎢結合在一起，可以看到本征的雙層石墨烯的超導態被顯著增強，這個現象太有趣了，這里面還有很大的空間可以挖掘。”李聽昕表示。

“我們發現雙層石墨烯和二硒化鎢貼合形成異質結構后，性質變得非常豐富，但是其超導態其實并未被完整地表征出來，主要原因就是之前實驗所加的電場比較受限，只能到1 V/nm。我和李老師討論達成的共識是，我們可以把電場推到更高。”劉曉雪說。

而且，大部分課題組在這種非轉角石墨烯體系中，一直都是圍繞空穴摻雜的超導情況，沒有人研究電子摻雜，李聽昕和劉曉雪“一拍即合”，決定開辟這個“無人區”。

李聽昕在美國康奈爾大學做博士后期間，研究興趣集中在二維層狀半導體及其莫爾超晶格系統，其間積累了許多實驗技巧，因此對提升電場強度很有把握。

石墨烯研究已有20年歷史，一個材料之所以反復研究還能出驚喜，其中一個重要原因在于器件質量的不斷提升。隨著做法的改進、加工工藝的精細化，石墨烯中的缺陷越來越少。而缺陷減少，雜質效應就會被壓制，以前被雜質效應所掩蓋的一些非常有趣的物理現象便開始顯現。而劉曉雪在美國布朗大學做博士后期間的主要研究內容是轉角石墨烯超導，對制作高質量樣品有著豐富的經驗。

既要保證樣品質量，又要加大電場，兩個結合起來讓研究變得十分棘手。夫妻二人開啟了經驗值疊加的默契配合之路。

“在當時，從已經發表的文獻看能實現1 V/nm的垂直電場已經算是一個極限，我們帶領學生通過優化樣品制備方法，將所加電場的極限推高到1.6V/nm，可以說是世界上第一個能實現這么高電場的高質量石墨烯樣品。得益于能夠給樣品施加超過前人研究的高電場，我們第一次在晶體石墨烯的電子端通過柵極靜電摻雜發現了超導態。這是令人很興奮的。”李聽昕介紹。

此次發表的Nature論文

全球第三個成功的課題組

在2018年以前，雙層石墨烯已經被反復研究過，學者普遍認為這個領域不會再濺起新的水花。

直到2018年，美國麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero教授課題組的博士生曹原在Nature發表兩篇重磅論文，他們發現了魔角石墨烯體系的超導電性，開辟了凝聚態物理研究的一個新的研究方向。從此，掀起了魔角石墨烯超導和二維材料莫爾超晶格的研究熱潮，無數科研人員聚焦其中試圖重復、拓展相關研究。

相比而言，雙層石墨烯是一種穩態的結構，是天然石墨的基本組成單元，然而基于這個結構，能在這個體系中觀測到超導的，之前全球只有兩個課題組，第一個是最早發現雙層石墨烯超導的美國加州大學圣巴巴拉分校Andrea Young課題組（文章發在Science），第二個則是前文提到的加州理工學院的Stevan Nadj-Perge課題組（文章發在Nature）。這兩個課題組之間還進行了一些合作。

在李聽昕和劉曉雪的這篇論文發表前，研究者們只在單晶石墨烯空穴端發現超導態，從未在其電子端觀察到超導態。而且論文中還指出了電子端超導態跟空穴端超導態相比，在性質上存在許多區別。Nature編輯也深知這項研究的重要價值，經過專業的審稿流程，很快便接收了該論文。

由此，李聽昕和劉曉雪也成為了全球第三個在單晶石墨體系中觀測到超導態的課題組。其中一名審稿人看到文章時的喜悅之情溢于言表，他很欣慰除了前兩個課題組之外，還有其他課題組能夠重復之前的實驗結果，并且在此基礎上又有新的發現。

與魔角石墨烯超導研究在Nature和Science上發表的論文數量相比，雙層石墨烯超導則顯得“勢單力薄”，距離上一篇頂刊論文發表已過去兩年。李聽昕和劉曉雪這篇論文首次在單晶雙層石墨烯中觀測到電子摻雜情況的超導電性，這對于理解晶體石墨烯及轉角石墨烯系統的超導機理、設計制備基于石墨烯系統的高質量新型超導量子器件等具有重要意義。

“同為科研人，更能體諒對方”

這項研究從一開始到最終完成，任何一個環節做得不到位，可能都會以失敗告終。這期間，李聽昕和劉曉雪親自傳授剛入組的博士生李楚善器件制備技巧，確保做出好樣品。

接下來，要深入研究樣品的物理性質，就需要把它放到極端條件下進行系統地輸運測量。然而，當時必須用到的稀釋制冷機（可實現最低溫度在10mK左右），受到國際設備禁運的影響，課題組無法購買到設備，亦無法開展樣品超導態性質的研究。

為了繼續相關實驗，李聽昕和劉曉雪及課題組研究生帶著篩選好的樣品，前往北京市懷柔科學城使用中國科學院綜合極端條件實驗裝置的稀釋制冷機，開展測量工作。

“這期間，由于測量時間受限，我們從上海到北京往返了三趟，其間還要特別注意保護脆弱的石墨烯樣品。不過做研究就是這樣，過程永遠不可能一帆風順，中間的各種變量才是常態。”李聽昕說。

對此說法，劉曉雪表示同意，“有時候還要平衡科研和家庭的關系”。

其實，這已經不是倆人第一次合作。去年8月，他們跟美國的一個課題組同時在arXiv預印本網站上發表了有關分數量子反常霍爾效應的首個確鑿實驗證據，當時那個實驗也需要去懷柔用極端條件實驗裝置測量。“那會兒，6月底7月初要去北京進行稀釋制冷極低溫測量時，正好趕上我要去醫院生孩子，李老師立馬退掉了當天前往北京的高鐵票，陪伴左右悉心照顧我。等我和孩子出院后才又馬上帶著學生去北京測量。”劉曉雪說。

克服了重重困難，這項成果最終于去年9月正式發表在《物理學評論X》上，分數量子反常霍爾效應的實驗觀測是凝聚態物理學家長期以來追求的目標，所以這一重大成果也受到了領域內的廣泛關注和高度評價。

“有了孩子以后會發現更難，劉老師尤為辛苦。不得不感慨女性為家庭的犧牲和付出是偉大的，她們的時間被大大壓縮，我們合作的科研工作收到很多學術會議的報告邀請，也只能我去，因為孩子太小離不開媽媽。”李聽昕表示。

“好在我倆都是非常理性的人，任何事情都是有商有量、相扶相攜。之前我們在美國做博士后的時候是異地戀，一年也就見兩三面，后來李老師比我早回國，我倆又異國戀一年，但感情一直很穩定，就是因為已經習慣這種相處模式了。同為科研人，所以更能體諒對方。”劉曉雪說。

夫妻二人表示，他們未來還會開展更多的合作，爭取做出更多杰出的科研成果。對于科研夫妻來說，最獨特的浪漫，大約就是“我的論文上恰好也有你的名字”吧。

參考鏈接：

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