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3d开机号试机号近50期:石墨烯教父:从千年博后到物理诺奖的心路历程(上)

石墨烯是最坚硬并极具弹性的材料,其发现者安德烈·海姆 (Andre Geim) 也拥有同样的属性。卧薪尝胆十几年,脑洞大开万千遍,正是其非同寻常的科研风格为我们带来了可颠覆全球科技产业的一把钥匙。这个曾以“飞翔的青蛙”荣获搞笑诺贝尔奖的物理学家怎样看待自己的研究生涯呢?请看石墨烯之父在获得诺贝尔物理学奖后,亲口讲述他自己的故事。

石墨烯教父:从千年博后到物理诺奖的心路历程(上)

【引言】石墨烯是最坚硬并极具弹性的材料,其发现者安德烈·海姆 (Andre Geim) 也拥有同样的属性。卧薪尝胆十几年,脑洞大开万千遍,正是其非同寻常的科研风格为我们带来了可颠覆全球科技产业的一把钥匙。这个曾以“飞翔的青蛙”荣获搞笑诺贝尔奖的物理学家怎样看待自己的研究生涯呢?请看石墨烯之父在获得诺贝尔物理学奖后,亲口讲述他自己的故事。

注:以下为安德烈·海姆的自述

如果现在有人想要了解石墨烯的美丽的物理内涵,他们可以从许多相关的学术综述,还有大众科学杂志上的文章中选择。在此我向读者推荐自己写的几篇相关的文章[1-3],希望大家能原谅我的“自卖自夸”。为了不重复这些文章的内容,在这次演讲里,我决定给大家讲一讲我自己曲折的科研道路,以及这条路最终是如何通向诺贝尔奖的。这其中大部分的内容我从未在别的地方讲述过。当然,各位可以放心,我不会从我的幼儿园时代开始讲起。我将向您讲述我从1987年获得博士学位之后,直到2004年为我们赢得诺贝尔奖的文章被杂志接受这段时间内的故事。无疑,越接近尾声这个故事会变得越丰富。反观历史,我还会详细地描述2004年之前与石墨烯有关的研究工作,以及分析石墨烯为什么会引起这么多人的兴趣。我会努力让非物理专业的读者也觉得接下来的内容易懂而且有意义。

石墨烯教父:从千年博后到物理诺奖的心路历程(上)

不要做已死的研究

我的博士论文题目叫做“Investigation of mechanisms of transportrelaxation in metals by a helicon resonance method”。我只能说它是一个非常无趣的研究。在苏联的Instituteof Solid State Physics,我花了五年时间,发表了五篇论文来完成这个学位。学术网站Web of Science很严肃地告诉我,我的这些文章被引用过两次,而且都是作者自己在引用。其实,在我的博士生岁月开始前十多年,这个研究方向就已经没落了。即使如此,我还是从中学到了一些让我受益终身的东西,那就是绝对不要让你的学生研究那些已经死了很久的课题方向。

博士毕业以后,我在俄罗斯科学院下属的Institue of Micro-electronics Technology找到了一份临时工作,做一名普通的研究员。苏联当时的研究系统允许甚至鼓励年轻的研究人员独立开展研究工作。经过一年的摸索,尝试不同的方向,我终于开始找到了合适自己的研究道路,从而与我的博士导师在学术上脱离了关系。

以当时苏联极其困难的实验条件,我找到了一个可行而且新颖的实验方向,虽然这听起来是不太可能的事情。我用微细加工的装置制备了金属膜,在它上面沉积了一层薄薄的绝缘体,然后再沉积一层高温超导体。超导体的作用是通过迈斯纳效应把外加磁场约束到一个个涡旋里,对下面的金属膜产生高度不均匀的磁场分布。金属膜中的电子在这种空间上快速变化的磁场中(磁场在小于一个微米的范围内就会发生很大的变化)的运动在当时是一个新的研究领域,我发表了这个领域中的第一篇实验论文,之后Simon Bending也独立地发表了类似的研究。这是一个有趣而且还比较重要的课题,在接下来的几年里我都在研究这个方向,包括1991年我在Simon实验室做博士后的阶段。

这段经历给了我一个很重要的体会,那就是创立一个新的研究方向总是比在一个已经僧多粥少的领域里寻找新的突破要容易取得成果。当一个全新的领域刚刚开始的时候,成功的几率会大得多。当然,很多关于这个新领域的美好预期可能最终无法实现,但是在新的领域里做研究,总会有意想不到的现象产生。

别人的垃圾,我的金子

1990年,在我所在的研究所所长Vitaly Aristov的帮助下,我得到了英国皇家学会一段为期6个月的访问机会。英国诺丁汉大学的Laurence Evaes和Peter Main邀请我访问他们的实验室。对于实验工作而言,6个月是非常短暂的。受这个条件所限,我只能研究这些实验室当时已有的一些样品。先前的实验人员留下了一些砷化镓微米线,它们已经被废弃在实验室的角落里好几年了。由于我曾经在资源稀缺的苏联学术界工作过,我能够在相对恶劣的环境中开辟出一条道路来。这些被别人视作毫无用处的样品成了我的金矿。我开始了每周100个小时的工作来研究它们。在这短短的6个月里,我做出了两个后来发表在Physical Review Letters上的工作。后来我常常用这段经历跟年轻的学生们开玩笑。当实验不像预期的那样进展顺利,他们开始抱怨样品不好导致发现不了新东西的时候,我就会跟他们说,“根本没有差的样品,只有差的学生/博士后”。仔细研究你总会发现一些新东西。当然最好还是投身新的研究领域,避免研究那些别人已经深入研究过的样品。但是,即使我们足够幸运,找到了一个像石墨烯一样激动人心的研究领域,谨慎研究和坚持不懈的精神会让人走得更远。

在诺丁汉的研究是如此的高强度和激动人心,我决定不回俄罗斯了。在苏联混乱的社会中求生对我来说无异于浪费生命。于是,在我33岁,学术h因子等于1的时候,我开始在欧洲寻找博士后的职位。接下来的四年我在不同的大学之间辗转,从英国的诺丁汉,到丹麦的哥本哈根,再到英国的巴斯,最后回到诺丁汉。每一份新的工作都教会我一两个新的研究领域,这段经历极大地扩展了我的科学视野。在那些年,我的主要研究方向是介观物理,包括二维电子气体,量子点接触,共振隧穿,量子霍尔效应等等等等。我也熟悉了用分子束外延生长砷铝化镓异质结,提高了我在俄罗斯就开始学习的微细加工和电子束刻蚀的技术。所有的这些积累成为了十多年后石墨烯研究的坚实基础。

“温馨”的荷兰生活

到1994年时,我已经发表了足够多的优质的文章,参加了足够多的学术会议。我希望能够找到一个正式的学术工作。当我得到荷兰的University of Nijmegen的一个副教授的职位时,我毫不犹豫地抓住了这个机会,结束了我“后苏联时代”各地流浪生活。到了Nijmegen的第一个任务无疑是树立起自己的学术地位。但是当时我没有任何的启动经费,也没有微细加工的设备来继续我以前的研究工作。我拥有的是Nijmegen强磁场实验室里的强磁场装置,低温以及电子设备。当时强磁场实验室的主任是Jan Kees Maan。他也是我的“老板”,掌管了所有的实验经费。

虽然当时我作为独立研究员拿到了研究经费,但是我不能随我的心愿来支配这些钱。钱都是通过由正教授领导的所谓“工作组”来分配的。另外,荷兰的博士研究生只能由正教授指导,副教授只能靠自己单打独斗。虽然这听起来有些怪诞,但是这就是90年代荷兰的研究体制。这样的研究条件对我来说非常艰难??嫉囊涣侥?,我挣扎着适应这种系统,它与我在诺丁汉所经历的愉快而富有成效的研究岁月形成巨大的反差。而且令人奇怪的是,只是在大学里有如此森严的等级制度,走出大学围墙,每个人对我都很好,包括强磁场实验室的主任Jan Kees和其他研究人员。

即便如此,在Nijmegen的研究机会还是要比在俄罗斯好得多。最终依靠我的海外合作者的帮助,我还是在荷兰的学术圈里立住了脚。诺丁汉的同事们(尤其是Mohamed Henini)生长了二维电子气体的晶体,之后它们被送到俄罗斯,我从80年代就开始的同事和好友Sergey Dubono把它们微细加工成我需要的器件。我当时的研究课题可以被称作“介观超导”。Sergey和我用二维电子气体加工出微米尺寸的霍尔器件,然后用它来探测很小的超导体周围的局部磁场。这种方法不仅可以测量到单个磁场涡旋进入和离开超导体,还能测量许多其他非常微弱的变化。

依靠弹道输运下的霍尔微磁测量技术,我们发展了这种新的实验方向。在接下来的几年里,我们在这个领域充分地展开研究,最终在Nature,Physical Review Letters等刊物上发表关于顺磁迈斯纳效应,具有分数个磁通量子的涡旋,在约束空间中的磁场涡旋分布等等的研究结果。

我的妻子Irina Grigorieva是磁场涡旋方面的专家。她在荷兰找不到工作,所以她有足够多的时间来帮助我的研究和撰写论文。而Sergey不仅仅帮我加工器件,同时也常常来到Nijmegen来帮我实验测量。我们形成了一种非常高效的合作模式,他负责采集数据,我则在旁边房间里的电脑上分析数据,决定实验的下一步。

磁悬浮的魅力

关于介观超导研究的第一个结果大概在1996年的时候开始成形,这让我在荷兰的研究系统里找到了一丝安全感,同时我也开始扩展我的研究方向。我广泛地调研,试图找到新的研究方向。在Nijmegen最主要的实验优势是强大的电磁铁,但是同时它们也是让我头痛的地方。虽然这些磁铁能够产生20特斯拉的磁场,比我们的很多竞争者所拥有的超导磁场要稍微强一点(那些超导磁场大约为16到18特斯拉),但是这些庞然大物运转起来极其费电,我们只能每天晚上当电价便宜的时候用几个小时。

我当时在介观超导方面的研究仅仅需要非常微弱的磁?。ㄐ∮?.01特斯拉),所以我用不到这些电磁铁。这让我这个强磁场实验室的研究员感到一些愧疚,我感到有责任找到一些可以利用到这些强大的电磁铁的研究课题来。我意识到相比其他的超导磁铁,这些电磁铁的唯一明显优势就是它可以在室温下工作,不需要像其他超导磁铁一样冷却到液氦的温度。然而,这在一般人看来并不是什么优势,因为大部分的凝聚态实验都需要极低温的环境。这使得我和同事们开始思考什么强磁场下的现象可以在室温里研究。不幸的是,我们似乎根本没有什么选择。

终于,我无意中了解到了一个所谓“磁化水”的现象。

据称,把一块永久磁铁放在热水龙头上可以防止水垢在水管里的形成?;蛘甙岩豢榇盘旁谒飞?,你的水壶里将不会形成一层厚厚的沉积物。这些磁铁随处可见,很容易买到。网络上有数以百计的文章介绍这种现象,但是其背后的物理原理却不明了,甚至还有很多研究人员根本不相信这种现象的存在。在过去的15年里,我曾尝试过几次要研究这种“磁化水”现象,都无果而终,我至今也不能给出一个解释。但是,当时实验室里室温下的强磁场让我横向联想到了磁化水的实验。我想,如果磁化水效应真的存在,那么20特斯拉的强磁场应该产生比0.1特斯拉的普通永久磁铁明显得多的效应。

有了这个想法,在某一个星期五的晚上,我把一点水倒进了我们实验室正在产生巨大磁场的仪器里。往实验仪器里泼水很显然不是一个正规的实验操作,现在我也记不起来当时我为什么会干出如此“不专业”的事情来。很显然,没有人曾经尝试过做这样傻的事情,虽然这种类似的仪器在世界上几个实验室里已经存在了几十年了。让我极为惊讶的是,水并没有从强磁铁中流出来,而是滞留在了磁铁的中心。来自诺丁汉的访问学生Humberto Carmona和我玩了一个多小时,我们用一根木棍搅动滞留在磁铁中心的水,并改变磁场的强度,最终,我们看到了如图1所示的惊人现象,一个水球悬浮在了空中!

这太神奇了!我们很快意识到这个现象背后的物理是我们熟悉的逆磁性。但是我花了很长时间才让我相信水的这么微弱的逆磁效应(在外加磁场强度为B的时候,水能产生0.00001*B的磁场来抵抗它),比铁的磁性要弱十亿倍,居然可以抵抗水的重力。我的许多同事,包括那些一辈子与强磁场打交道的研究员,看到这个现象时都目瞪口呆,甚至还有一些人认为这是一个恶作剧。

接下来的几个月,我都在给我的同事们和访问者演示这个实验,同时设法为这个美丽的现象找到一个更为吸引普通大众的演示方式。在我们尝试过悬浮的众多物体中,图1的悬浮青蛙引起了媒体的广泛关注。更重要的是,在热闹的媒体报道背后,这张图片甚至进入了许多物理教科书。虽然它有些怪诞,但是这个实验让人们重新审视逆磁效应,我们不再认为它是一种微不足道的性质了。有时候我出去参加学术会议的时候,会有人拦住我说:“我认识你!不过抱歉不是因为石墨烯,而是因为我在物理课上展示过你的悬浮青蛙。学生们总是很好奇这只青蛙为什么能飞翔?!庇泄卣庵磺嗤艿墓适?,以及有关逆磁悬浮的稳定性的深邃物理学,大家可以参考我在PhysicsToday上写的一篇文章[11]。

石墨烯教父:从千年博后到物理诺奖的心路历程(上)

图1:在Nijmegen的悬浮时刻。左图——直径大约5厘米的水球自由地悬浮在磁铁中心。右图——学会了飞翔的青蛙。这张图片象征着“非磁性”物质,包括人,的磁性并非可以忽略的。这个实验为著名理论物理学家Michael Berry和我赢得了2001年的搞笑诺贝尔奖。起初,颁奖方询问我们是否有胆量来接受这个奖,我们答应了。我为我们的幽默感和自嘲的勇气而感到骄傲。

星期五晚的实验

磁悬浮的实验是如此的有趣,甚至让人上了瘾。它给我上了重要的一课,那就是尝试那些和我的专业领域八竿子打不着的研究方向有可能会产生非常有趣的结果,即使最初的想法可能是极其简单的。这段经历影响了我的研究风格。从那以后,我开始做一些不合常规的实验尝试,并且无端地称它们为“星期五晚的实验”。当然这个名字并不准确,因为没有什么深入的研究工作可以在一个晚上完成。

实际上,它需要好几个月的横向思考,毫无明确目的地查阅不相关的文献。最终,你会找到一种感觉——注意是感觉而不是想法——你会感觉到什么问题研究一下可能会很有趣。接着,你开始尝试实验。通常的结果是失败。然后你有可能继续试一试或者放弃。不管怎样,在某个时刻你都必须做出一个艰难的决定,究竟是继续投入精力,还是放弃尝试,开始研究别的问题。所有的这些都是在你的主要研究活动之余进行的,它们只需要占用你的一点点时间和一点点思考。

从我在Nijmegen工作的时候开始,我就用这种横向思考来设计本科生和研究生的课题了。学生们对于这种研究方式总是感到很兴奋。1999年到Nijmegen来读博士学位的Kostya Novoselov(译者注:Novoselov与Geim分享了2010年诺贝尔奖)参与了很多这样的实验。为了不影响学生们的正常学习和毕业,这些研究通常耗时不会超过几个月。虽然随着每一次的失败渐成事实,起初的热情都会慢慢消退,但是有一些学生后来告诉我说这些广泛探索的研究经历是他们人生中的无价之宝。

最令人惊奇的是,有的时候失败并未如期而至。壁虎胶带(Gecko tape)就是这样的一个例子。一个偶然的机会,我读到一篇文章描述了壁虎超强的攀爬能力背后的原理[12]。

其中的物理是很简单的。壁虎的脚趾上覆盖着许多微细的绒毛,每一根绒毛能够和它要攀爬的表面产生微弱的范德瓦尔斯力(10的负九次方牛顿量级),但是亿万根这样的绒毛就足以产生巨大的吸引力,从而可以使得壁虎爬上任何物体表面,甚至玻璃的天花板。尤其引起我注意的是这种绒毛的尺寸,它们在微米量级,这正是我所研究的介观物理所在的尺度范围。

当这个现象在我的脑海里时隐时现了一年多之后,Segey Dubonos和我设计出了一种能够模拟壁虎脚趾上绒毛的材料。Segey加工出了大概一平方厘米大小的这种材料,它表现出了比较明显的黏附力[13]。不幸的是,这种人造的材料比不上壁虎的脚趾,经过几次粘贴和分离之后,它的黏附力就完全消失了。但是,这仍不失为一个重要的验证性实验,它启发了其他人在这个领域中的深入研究。我们希望某一天人们能够复制出像壁虎脚趾那样的结构和具有自我清洁功能的胶带。这样这项研究就可以转化成产品了。

Better to be wrong than boring

在我准备这个演讲的时候,我总结了一个我们曾经尝试过的“星期五晚实验”的列表。直到那个时候我才意识到一个令人惊讶的事实。在大约15年的时间里我们一共做了二三十个这样的实验,可以想见,大部分的都彻底失败了。但是有三个成功者:磁悬浮,壁虎胶带以及石墨烯。这意味着一个极高的成功率:超过了10%!除此之外,还有几次与成功擦肩而过。

比如,我曾读到一篇文章[14]关于FeGeSeAs合金中的巨逆磁效应,这意味着这种材料可能会出现高温超导状态。我找同事Lamarches要了这种样品,Kostya Novesolov 和我用弹道输运霍尔磁测量技术来检验这种巨逆磁效应,但是失败了。即使冷却到1K也没有发现这种巨逆磁效应。这次尝试发生在2003年,远早于后来引发巨大关注的铁基超导体的发现。至今我还在寻思当时我们的样品中是否有很小的一部分转变成了超导体,只不过被我们忽略了。

另外一次这样的错失良机是我们试图测量单个活体细胞的“心跳”。实验的想法是用二维电子气体的霍尔器件来作为高精度的电压计,用以测量活体细胞中的生物电信号。我们实验的结果是,当细胞活着的时候我们的装置测量不到任何“心跳”,但是当我们用大量酒精导致细胞凋亡的时候,我们可以观察到巨大的电压脉冲[15]。现在我明白了当时之所以探测不到活体细胞的心跳是因为我们选错了细胞。我们选的是酵母菌,这是一种比较木纳的细胞。在我们的实验之后过了四年,其他的研究组选用胚胎心脏细胞在石墨烯上取得了成功[16]。

老实说,我并不认为如此高的成功率是因为我特别擅长于的横向思考。更确切地说是,它告诉我们——

试探(有的时候甚至是漫无目标的试探)新的研究方向比一般人预期的回报率要高。

我们很有可能在某一个已有的矿藏里挖掘得太深了,留下了大量未被探寻过的宝藏就埋藏在浅浅的地表下,只要稍微往旁边一试探我们就会发现它。当一个人有尝试的勇气时,虽然并不是一定总是有所回报,但是至少这是一次探险的经历。

本文来自雷锋网,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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