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2021-03-17 作者:楊頻萍 蔡姝雯 蔣明睿 來源:新華日報 編輯:胡昕哲 王曉豔

瞄準國際前沿,緊扣國家戰略 —

青年科學家勇闖基礎研究“無人區”

編者按在今年全國兩會上,科技部部長王志剛表示,要更加鼓勵青年科技人員投身基礎研究。此前在國新辦發佈會上,科技部也表示,國家科技計劃在“十四五”期間,要全面推行青年科學家項目。

挑戰最難科學問題,在基礎研究的“無人區”裏競賽,江蘇一批優秀青年科研人員正在挑起大梁。二維量子材料、微納尺度材料、光通信關鍵技術……他們緊扣國家戰略,瞄準國際前沿科學方向,自由探索、大膽創新。在他們看來,基礎研究領域充滿未知和奇特現象,也充滿無限可能和機遇。

開啓二維量子材料新世界

二維量子材料,可謂是材料界的一場革命,也是國際凝聚態物理的前沿熱點,其突破將帶動電子、能源等一系列產業顛覆性變革。

什麼是二維量子材料?南京大學物理學院教授王雷長期從事二維量子材料的電學輸運性質的研究,他告訴記者,量子效應通常發生在尺寸很小的(幾十納米以下)微觀世界,在二維量子材料中,電子僅可在兩個維度上運動,而另一個維度被限制在單層原子尺度,“簡單來説,該材料具有長和寬,而只有一個原子的‘厚度’。正因為維度的下降,二維材料會呈現出許多與傳統三維體系不同的新奇物性。”

在二維量子材料中,知名度最高的是石墨烯。“2004年,英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆和他的博士後分離出石墨烯,第一次發現二維材料,並因此獲得2010年諾貝爾獎。”王雷告訴記者,到2010年左右,人類在實驗上可以獲得的二維材料已經從一種擴展到了幾十種。近十年來,這個領域飛速發展,到2020年,科學家們統計實驗上可分離出的二維材料數目已經多達近2000種,涵蓋了金屬、半金屬、半導體、絕緣體、超導體、拓撲材料等。其中過渡金屬硫族化合物(TMD)就是二維材料家族的重要分支,與石墨烯的零帶隙的導體屬性不同,部分TMD二維材料是具有帶隙的半導體,理論上是將來有望打破硅基芯片壟斷的候選材料之一,“相比硅基芯片,TMD二維材料具有更高的載流子遷移率,也有更高的開關比,同時其天然的小尺寸與優越的散熱性能,有望讓芯片變得更小更快更節能。”

儘管二維材料越來越多,但從基礎科研角度來講,材料的維度降低以後,還有很多納米科學和表界面科學相關問題待解,這也是二維材料研究目前面臨的難題之一。

“要觀察和了解二維材料新穎的物理現象,首先要做到二維材料的高品質。”2010年,還在哥倫比亞大學博士求學期間,王雷就瞄準了高質量的二維材料器件,王雷科普道,“由於二維材料只有一層原子厚,上下兩面都暴露在外,缺陷、雜質在所難免。”

在讀博的頭三年時間裏,王雷沒有發一篇論文,鑽研降低缺陷、提高器件品質的方法,最終發明了二維材料的pick-up轉移和堆積技術,“通俗地説,在微觀世界裏我用一片絕緣的六方氧化硼(hBN)拿起石墨烯,再放在另一片hBN上,實際上將石墨烯‘封裝’了起來。”2013年的這項研究突破性地提高了二維材料的電子器件質量,所測量的石墨烯電子遷移率首次達到理論上的預測值,這個值在目前仍然是領域內的世界紀錄,成果發表在《科學》雜誌上。

除了為二維材料電子器件的“高品質”帶來突破,這個研究的後續衍生髮展讓王雷出乎意料,此研究中所發明的二維材料pick-up轉移和堆積——“搭積木”的技術,開創了“二維材料異質結”這個新的研究領域。科學家開始用“pick-up”的技術將幾種不同的二維材料垂直堆疊起來,形成了許多新奇的異質結構,在這個領域上國內外多個團隊取得了重要科研成果。

“在基礎研究領域,一個技術難題的攻克,往往會帶來一系列的科學上的突破。”王雷表示,後面自己很多研究也因此而“水到渠成”,包括實驗觀測到霍夫施塔特蝴蝶能譜、隨外電場可調控的分數量子霍爾態、量子分形體系中的反常分數量子霍爾態、單層原子上的隨應力可調控的極化電荷、石墨烯超快表面等離激元、雙層石墨烯上的隨外電場可調控激子等。就在去年,王雷教授課題組與來自德國馬普物質結構和動力學研究所、美國哥倫比亞大學物理系的研究小組合作,在雙層轉角過渡金屬硫化物(WSe2)中發現電子關聯絕緣態。目前王雷在二維量子材料的電輸運、電子關聯體系等物理性質上作出的一系列一流科研成果,其中有9篇分別發表在《科學》《自然》正刊上,13篇在《自然》子刊上。

在王雷看來,二維量子材料有巨大的潛力等待科學家們去發掘,儘管在取代硅基芯片方面,二維半導體材料還有瓶頸:“要應用在規模化高端器件上,目前二維量子單晶材料還很難在生產線上高質量、大規模、大面積、低成本地製備。”王雷表示,二維材料是否會引領未來芯片的發展仍是未知,但二維材料的新世界已經開啓,包括石墨烯在內的二維材料還有更多的物理特性等待科學家們去發掘。

探究微納材料的物理力學本質

21世紀,機械系統進入了微米和納米尺度的時代,微納尺度材料的特異物理、化學、力學性能為各領域所矚目,探索微納尺度材料的物理力學本質,通過力學作用調控材料的性質,是基礎研究的一個重要方向。

南京航空航天大學航空學院教授郭宇鋒介紹,在微納尺度的物理力學,與宏觀世界成熟的力學規律不一樣,原子、分子間在微納尺度有複雜的相互作用,其力學性質比如彈性模量、抗壓強度等本身就與宏觀尺度的材料不同,“我們不僅要發現它的機理,還要通過力學的作用來調控它的物理化學性質。”

作為國際熱門研究方向,我國在微納尺度的物理力學研究上,與國外齊頭並進,各有特色。在郭宇鋒看來,這是一個充滿未知和奇特現象的領域,“比如有些低維度材料,本身導電性不太好,但微納尺度下的某種固體和液體表面發生一個摩擦時,卻發生了顯著的電荷轉移。摩擦大小和發電之間的關係到底是什麼?”郭宇鋒説,這背後的原理和機制,讓人充滿了好奇。

“從長遠來説,我們類似這樣,通過力學作用調控微納尺度低維材料的各種性能,為新型功能器件和微納機電系統提供基本原理和機制。但基礎研究的特點在於不可知,在於充滿無限可能。”郭宇鋒認為,對於基礎科研而言,首要的是發現新奇的現象,解釋清楚現象背後的機理,發現用途後再設法在技術上實現,那就是應用研究的開始。科學理論的探索和工程問題的解決,總是相互依賴、相互促進的,“我們有的基礎科研是面向未來的工程需求,有的也是直接解決目前重大工程中的卡脖子問題。”

當代基礎研究的顯著特徵,是不同學科間的交叉、滲透、融合的趨勢日益增強。郭宇鋒告訴記者,微納尺度的物理力學屬於交叉學科,包括力學、物理、化學以及材料多學科的知識,“對低維度材料施加力,會產生應變梯度,從而讓原子上的電荷產生極化,電極化強度與應變梯度之間又會產生力電耦合,需要用多學科的知識來解釋微納世界裏的物理力學現象。”

近年來,郭宇鋒針對低維材料的界面作用與力學性能、力電耦合與器件原理等重要科學問題開展了深入的多學科交叉研究,揭示了表面功能化改變低維材料界面相互作用和摩擦行為的原理和機制、石墨烯水伏發電器件中基底電負性和含離子水的協同效應、低維材料的撓曲電效應和摩擦壓電性以及缺陷影響低維介電材料電磁吸收能力的機理,發表SCI論文50餘篇,研究成果被SCI他引1170餘次。

搶佔世界光通信核心位置

“十四五”規劃中提到,要堅定不移建設製造強國、質量強國、網絡強國、數字中國。面對數字化浪潮,包括雲計算、大數據、AI及5G在內的種種趨勢都在促成新一輪的網絡重構。工業互聯網、物聯網等新型基礎設施建設進一步加快,對新基建主力軍——光通信行業提出更高的要求。

從T比特到百T比特,再到如今正在研發中的P比特,南京信息工程大學物理與光電工程學院院長劉博及其團隊隨着國家戰略的不斷升級,研究項目也不斷升級。2019年,他的團隊承擔了P比特級光傳輸系統與關鍵技術研究國家重點研發計劃,目前正在火熱研發階段。

“現有的光纖通信系統幾乎都是T比特量級,而一個P等於1000個T,做P比特級光傳輸系統就相當於把目前的容量提升1000倍。”劉博告訴記者,隨着各類應用不斷升級,物聯網會發展到何種程度無法想象,但可以肯定的是目前光纖架構難以支撐不斷髮展的需求。“如果把現有的光纖比作綠皮火車,未來的則是高鐵,兩者的軌道不能適配,重新設計系統也就勢在必行。”

從百T比特量級到P比特並不只是擴容那麼簡單,而是一個涉及多環節的系統性工程。耦合器、信號放大器、前後端信號的調製、解調、探測、接收、處理等都要重新制定標準,光纖也將由單模單芯變為少模多芯。“從世界範圍來看,各國基於少模多芯的專利並不多。在無人區裏競賽,要儘早拿出成果才能搶佔核心位置。”

沒有前人的經驗可以借鑑,從光纖本身到器件都需要自主研發。對我們國家來説有機會在這一領域實現彎道超車,領先世界一個身位。但同時,光通信系統的研發也面臨很大的挑戰。

劉博介紹,單以光纖為例,從結構的設計到製作工藝每一個步驟都很有難度。光纖是一種非線性的介質,信號受到的損傷是不定的,少模多芯初步設計的19芯4個模式結構,意味着信號從單車道變為“76車道”並行。如何保證信號正確接收而不串擾?在製作環節,如何同時對19個預製棒加熱,拉制頭髮絲粗細的光纖?一個個問題都有待探索。

做應用基礎研究好比上台階,既是新的突破,也源自以往的積累。“技術是有傳承的。”光纖設備落地應用中遇到的站點距離不等、特殊場景下因天氣因素可能影響信號等諸多問題,都會迴歸到實驗室中變成理論突破的關鍵點,再投入應用解決實際問題,循環往復直到有能力支撐大規模商用落地。遵循“十年週期法則”,光通信系統的研究也是着眼未來,具有戰略性、先導性和引領性。“我們青年科研人員要提早佈局,敢做能‘捅破天’的事情。”

作為“追光者”,對光通信系統的研究不會止步於此。劉博團隊在做好光信號大容量長距離傳輸系統研發的同時,還在光網絡物理層安全方面做一些前期論證,期待能在保證大容量的前提下,保障骨幹通信網中的安全問題。“光纖除了可以做通信,也是很好的感知器件,未來的系統更應該是感傳一體的。這些方面都亟待我們去探索。”