納米人編輯部對全球重要科研團(tuán)隊(duì)2020年代表性成果進(jìn)行了梳理，今天，我們要介紹的是石墨烯之父、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、搞笑諾貝爾獎(jiǎng)得主、中國科學(xué)院外籍院士、美國國家科學(xué)院外籍院士、曼徹斯特大學(xué)Andre Geim教授課題組。Andre Geim教授長期從事二維原子晶體材料的研究，因?yàn)樵谑┓矫娴拈_創(chuàng)性工作而榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，被譽(yù)為石墨烯之父。Andre Geim教授有30篇論文被引次數(shù)超過1000次，6篇論文被引次數(shù)超過10000次。在人類歷史上被引次數(shù)最多的100篇研究論文中，有兩篇來自Andre Geim教授課題組。值得一提的是，Andre Geim教授33歲的時(shí)候，H因子還只有1。有一次，他不小心把水灑到具有超強(qiáng)磁場的儀器中，意外發(fā)現(xiàn)了反磁懸浮技術(shù)，由此獲得2000年搞笑諾貝爾獎(jiǎng)，成為了唯一一個(gè)既獲得諾貝爾獎(jiǎng)又獲得搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的人。此外，他還受到壁虎的啟發(fā)，發(fā)明了一種仿生壁虎膠帶，具有極強(qiáng)的黏性。Andre Geim教授對中國石墨烯等二維原子晶體材料領(lǐng)域的發(fā)展和人才培養(yǎng)做出了重要貢獻(xiàn)。2009年獲得中國科學(xué)院“愛因斯坦講席教授”，2017年與清華大學(xué)清華-伯克利深圳學(xué)院聯(lián)合成立“深圳蓋姆石墨烯研究中心”并擔(dān)任主任。Andre Geim教授也很重視與中國石墨烯產(chǎn)業(yè)界的合作，積極推動(dòng)了中國石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。Andre Geim教授課題組部分代表性研究成果包括但不限于：由于Andre Geim教授成果頗豐，在諸多領(lǐng)域均有重要成果，此處僅列舉其中幾種，歡迎大家留言補(bǔ)充。1）世界首次剝離出石墨烯，并對其電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，發(fā)現(xiàn)了石墨烯中的載流子表現(xiàn)出二維狄拉克費(fèi)米子特性，具有半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、室溫量子霍爾效應(yīng)等一系列新奇物理現(xiàn)象，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2）開創(chuàng)了其他二維原子晶體的研究，開辟了二維原子晶體研究領(lǐng)域，引領(lǐng)和帶動(dòng)了世界范圍內(nèi)對二維原子晶體的研究，并引領(lǐng)探索了二維原子晶體在分子、離子、質(zhì)子、同位素分離等領(lǐng)域的應(yīng)用。3）開創(chuàng)了基于二維原子晶體的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料新方向。此外，Andre Geim教授課題組在石墨烯為代表的各種二維原子晶體相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大量科學(xué)探索、深度創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)。因篇幅原因，此處不做詳細(xì)介紹。有鑒于此，納米人編輯部簡要總結(jié)了Andre Geim教授課題組2020年部分重要研究成果，供大家交流學(xué)習(xí)。1）由于相關(guān)論文數(shù)量較多，本文僅限于通訊作者論文，如有重要遺漏，歡迎留言補(bǔ)充。2）由于學(xué)術(shù)水平有限，所選文章及其表述如有不當(dāng)，敬請批評指正。3）由于篇幅限制，部分成果未詳細(xì)解讀，僅以發(fā)表截圖展示。頂級科學(xué)家似乎都更喜歡做開山式的原創(chuàng)工作。這一年，Andre Geim教授作為通訊作者發(fā)表的論文不多（因?qū)W識有限，如有遺漏，請大家留言告知），但是份量都很重。2020年，Andre Geim教授主要集中于石墨烯等二維原子晶體領(lǐng)域的研究，為石墨烯等二維材料的發(fā)展提供了許多新的方向，取得的成果包括但不限于：1）在石墨烯領(lǐng)域，主要致力于原子限域、氣體透過性和光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的研究。2）在非石墨烯二維材料領(lǐng)域，主要致力于磁學(xué)性質(zhì)和凝聚態(tài)物理等方面的研究。1）發(fā)現(xiàn)原子限域毛細(xì)凝聚新現(xiàn)象，將開爾文方程的適用性拓展到亞納米尺度，是其開創(chuàng)的原子限域研究體系中一個(gè)新的里程碑。2）證實(shí)了無缺陷單層石墨烯對氣體確實(shí)不具有透過性，并拓展了無缺陷石墨烯對氣體不可透過性的極限。發(fā)現(xiàn)原子限域毛細(xì)凝聚新現(xiàn)象150年前，開爾文方程從理論上描述了毛細(xì)管內(nèi)彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化。那么，當(dāng)限域尺寸與水分子的大小相當(dāng)時(shí)，開爾文方程還能使用嗎？2020年，Andre Geim教授和中科大王奉超教授等人發(fā)現(xiàn)了原子限域毛細(xì)凝聚理論的新現(xiàn)象，將開爾文方程的適用性拓展到亞納米尺度。（技術(shù)詳情參見本文正文）石墨烯對氣體到底是不是真的不可透過？其極限到底是多少？機(jī)理如何？2020年，Andre Geim教授團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了無缺陷石墨烯對氣體的的不可透過性，并拓展了氣體不可透過性的極限，揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機(jī)理。（技術(shù)詳情參見本文正文）二維原子晶體是Andre Geim教授的核心研究領(lǐng)域，2020年，Andre Geim教授的研究還是聚焦于石墨烯。具體內(nèi)容如下：1. Nature：原子尺度限域環(huán)境下的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象1875年，英國科學(xué)家威廉·湯姆森提出開爾文方程，從理論上描述了毛細(xì)管內(nèi)彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化。大量理論和實(shí)踐證明，開爾文方程對直徑小至幾納米的納米液體都適用。然而，對于尺寸更小的極端限域的環(huán)境濕度下，當(dāng)限域尺寸與水分子的大小相當(dāng)時(shí)，開爾文方程還能使用嗎？諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Andre Geim教授長期致力于基于石墨烯的納米限域流體研究。有鑒于此，Andre Geim教授和中科大王奉超教授等人合作，進(jìn)一步揭示了納米限域毛細(xì)凝聚理論的新進(jìn)展。基于晶態(tài)二維材料的范德華作用，研究人員成功構(gòu)筑了原子尺度的毛細(xì)通道，最下尺度達(dá)到0.4 nm，水分子只能以單層形式存在。基于這樣的原子尺度限域通道，研究人員令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，開爾文方程依然能夠適用于強(qiáng)親水性（云母）毛細(xì)管中的縮合轉(zhuǎn)變，并且在弱親水性（石墨）毛細(xì)管仍然有效（從定性角度）。這項(xiàng)工作為深入理解毛細(xì)效應(yīng)和原子尺度限域行為提供了新的見解，并使得具有150年歷史的開爾文方程的適用性得到進(jìn)一步拓展。（來源：中科大新聞網(wǎng)）Qian Yang et al. Capillary condensation under atomic-scale confinement. Nature, 2020.DOI：10.1038/s41586-020-2978-1https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1以單層石墨烯為代表的無缺陷二維材料，雖然只有一個(gè)原子層的厚度，卻被認(rèn)為不具有氣體和液體透過性。從理論上而言：DFT計(jì)算表明，單層石墨烯對原子和分子的透過性具有非常高的能壘，至少幾個(gè)電子伏。因此，在常規(guī)條件下任何氣體都不能透過無缺陷的單層石墨烯。在室溫下，一個(gè)原子想要透過一張沒有缺陷的膜，其花費(fèi)的時(shí)間將比宇宙的歷史還要漫長。從實(shí)驗(yàn)上而言：以機(jī)械剝離的石墨烯為例，在氧化硅晶圓上刻蝕的微米級孔，并用石墨烯密封，以研究氣體的透過性。結(jié)果表明，沒有發(fā)現(xiàn)任何氣體透過的現(xiàn)象，檢測靈敏度達(dá)到105-106個(gè)原子/秒。那么，石墨烯對氣體到底是不是真的不可透過？其極限到底是多少？機(jī)理如何？有鑒于此，A. K. Geim教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了無缺陷石墨烯的不可透過性，拓展了不可透過性的極限，并揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機(jī)理。研究人員使用無缺陷的單層石墨烯密封的小型單晶容器為實(shí)驗(yàn)裝置，研究表明，無缺陷的石墨烯對氣體確實(shí)具有不可透過性，其檢測精度比之前的實(shí)驗(yàn)提高了8-9個(gè)數(shù)量級。研究指出，雖然沒有直接的證據(jù)，但是作者能夠判別，在這樣超高的檢出限條件下，每小時(shí)只有幾個(gè)氦原子能夠透過。對幾乎所有其他氣體（氖氣，氮?dú)猓鯕猓瑲鍤猓碗瘹猓@一行為均表現(xiàn)一致，只有氫氣除外。即使氫分子比氦大，應(yīng)該經(jīng)歷更高的能壘，但是氫卻表現(xiàn)出更加明顯的透過性。這一異常結(jié)果主要?dú)w以為以下機(jī)理：1）氫氣分子具有催化活性的石墨烯波紋處發(fā)生解離；2）被吸附的氫原子以較低活化能翻轉(zhuǎn)到石墨烯片的另一側(cè)。研究指出，這一活化能大概1.0 eV左右，接近質(zhì)子傳遞所需要的能量。總之，這項(xiàng)研究從基礎(chǔ)的角度出發(fā)，為二維材料的不可透過性提供了重要思考，也為石墨烯的研究指明了新的方向。P. Z. Sun et al. Limits on gas impermeability of graphene. Nature 2020.DOI：10.1038/s41586-020-2070-xhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x3. Nat. Commun.：單層石墨烯中的電子散射控制電子之間的相互作用是凝固態(tài)物理中重要的作用，通過改變電子之間的相互作用強(qiáng)度調(diào)控電子之間相互作用，一種研究通過研究金屬體系中的相互作用實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了抑制電子之間相互作用。曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim、M. Polini等通過原子層厚度的門柵極電介質(zhì)和原子層厚度的金屬柵級，對石墨烯中電子之間的散射長度進(jìn)行測試，對這種相互作用進(jìn)行定量描述。當(dāng)柵極電介質(zhì)的厚度為幾個(gè)nm時(shí)會(huì)引起顯著的變化，這個(gè)距離低于典型的電子之間距離。通過理論計(jì)算結(jié)果對該過程進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果。該結(jié)果有助于理解其他二維材料系統(tǒng)中的多體研究。單層石墨烯中的電子之間散射在和金屬柵極之間的距離＜1 nm時(shí)發(fā)生明顯的抑制作用，這種近門區(qū)域能通過范德瓦爾斯作用的組裝體系實(shí)現(xiàn)。M. Kim, et al. Control of electron-electron interaction in graphene by proximity screenings，Nat. Commun., 2020, 11，2339DOI：10.1038/s41467-020-15829-1https://www.nature.com/articles/s41467-020-15829-14. ACS Nano：缺陷石墨烯中質(zhì)子和鋰離子的滲透性無缺陷石墨烯對氣體和液體具有不可透過性，但對質(zhì)子卻具有高度可透過性。原子尺度的缺陷，如空位、晶界和Stone?Wales缺陷，有可能會(huì)增強(qiáng)石墨烯的質(zhì)子透過性，甚至可能允許小離子通過，而氣體分子等較大的物種則會(huì)被阻擋。至今為止，這些理論預(yù)測仍未在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。有鑒于此，英國曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim、Marcelo Lozada-Hidalgo團(tuán)隊(duì)對此進(jìn)行了研究。研究表明，具有高密度原子級缺陷的原子級厚度碳薄膜對所有分子都不具有透過性，但是其質(zhì)子滲透性卻比無缺陷石墨烯的高1000倍，鋰離子也可以透過這種無序的石墨烯。質(zhì)子和離子透過性得到大幅增強(qiáng)的原因，可能是因?yàn)榘藗€(gè)碳原子環(huán)比石墨烯的六原子環(huán)對入射質(zhì)子的能壘大約低兩倍，對鋰離子的能壘也相對較低。這項(xiàng)研究為無序石墨烯在基于鋰和氫能源技術(shù)中的應(yīng)用，提供了新的借鑒Eoin Griffin, et al. Proton and Li-Ion Permeation through Graphene with Eight-Atom-Ring Defects. ACS Nano, 2020.DOI：10.1021/acsnano.0c02496https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c024965. Nat. Commun.: 石墨烯超晶格中布朗-扎克費(fèi)米子的長程彈道輸運(yùn)在量子化磁場中，石墨烯超晶格表現(xiàn)出復(fù)雜的分形光譜，通常被稱為霍夫斯塔特蝴蝶，可以被視為朗道能級的集合。朗道能級是由布朗-扎克(Brown-Zak)微帶的量子化產(chǎn)生的，量子化在每個(gè)超晶格單元的磁通量量子的有理(p/q)分?jǐn)?shù)處重復(fù)出現(xiàn)。有鑒于此，英國曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim、A. I. Berdyugin團(tuán)隊(duì)報(bào)道了石墨烯超晶格中布朗-扎克費(fèi)米子的長程彈道輸運(yùn)研究。在氮化硼-石墨烯超晶格中，布朗-扎克費(fèi)米子可以表現(xiàn)出高達(dá)106 cm2 V-1 s-1的遷移率和超過幾微米的平均自由程。所設(shè)計(jì)器件的出色性能能夠證明布朗-扎克微帶是4q倍簡并的，且所有簡并(自旋、谷和微谷)都可以通過低于1 K的交換相互作用來提升。作者還發(fā)現(xiàn)，對于相距幾微米的電探針，在1/q分?jǐn)?shù)處存在負(fù)彎曲電阻。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)觀察突出了這樣一個(gè)事實(shí)，即布朗-扎克費(fèi)米子是沿著直線軌跡，在高場中傳播的布洛赫準(zhǔn)粒子，就像零場中的電子一樣。Julien Barrier, et al. Long-range ballistic transport of Brown-Zak fermions in graphene superlattices. Nature Communications, 2020, 11: 5756.DOI：10.1038/s41467-020-19604-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-19604-06. Nat. Commun.: 通過鄰近篩選控制石墨烯中的電子-電子相互作用電子-電子相互作用在許多凝聚態(tài)現(xiàn)象中起著至關(guān)重要的作用，通過改變相互作用的強(qiáng)度來控制它們是很有吸引力的。一種可能的方法是將所研究的系統(tǒng)放在金屬附近，這種方法會(huì)引起額外的屏蔽，從而抑制電子相互作用。在這里，英國曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim、M. Polini等人通過鄰近篩選控制石墨烯中的電子-電子相互作用。作者使用原子級薄柵極電介質(zhì)和原子級平金屬柵極的器件，測量了石墨烯中的電子散射長度，并報(bào)告了與標(biāo)準(zhǔn)行為的定性偏差。屏蔽引起的變化僅在柵極電介質(zhì)厚度為幾納米時(shí)才變得重要，這比典型的電子間距小得多。作者的理論分析與從單層石墨烯中的電子粘度和石墨烯超晶格中的交互電子-電子散射的測量中提取的散射率非常一致。該研究結(jié)果為將來在二維系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多體現(xiàn)象的鄰近篩選提供了指導(dǎo)。M. Kim, et al. Control of electron-electron interaction in graphene by proximity screening. Nature Communications, 2020, 11: 2339.DOI：10.1038/s41467-020-15829-1https://doi.org/10.1038/s41467-020-15829-17. Nat. Commun.: 二維材料分散液的巨磁致雙折射效應(yīng)及磁控變色調(diào)整透射干涉色，是科學(xué)家操縱光的長期追求。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法包括材料手性、應(yīng)變和電場控制。通過磁場進(jìn)行顏色控制具有無接觸、無創(chuàng)和無能量的優(yōu)點(diǎn)，但由于傳統(tǒng)透明介質(zhì)中微弱的磁致雙折射，仍然難以實(shí)現(xiàn)。有鑒于此，清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)與英國曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim團(tuán)隊(duì)合作，證明了磁性二維晶體的透明懸浮液中異常大的磁雙折射效應(yīng)。研究人員提出了一種基于寬帶隙磁性二維材料的雙折射液體的制備方法，所制備的摻鈷二維鈦氧化物晶體分散液呈現(xiàn)了巨磁致雙折射效應(yīng)，其磁光克頓-穆頓系數(shù)達(dá)1400T-2m-1，高出傳統(tǒng)雙折射液體近兩個(gè)量級。研究人員從理論上闡釋了可調(diào)制透明干涉色出現(xiàn)的光學(xué)基礎(chǔ)，在于雙折射液體對偏振光的相位差調(diào)制需達(dá)到3π以上。本研究中的二維晶體分散液因同時(shí)具有高透光率及巨磁致雙折射效應(yīng)，故而在較低磁場下（<0.8t），實(shí)現(xiàn)了對偏振光的大相位調(diào)制（8π）。這項(xiàng)工作開辟了一條調(diào)諧透射顏色的新途徑，并可以進(jìn)一步擴(kuò)展到具有人工設(shè)計(jì)的磁性雙折射的其他系統(tǒng)。< span="">Baofu Ding, et al. Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions. Nature Communications, 2020, 11: 3725.DOI：10.1038/s41467-020-17589-4https://doi.org/10.1038/s41467-020-17589-42020年，除了以上成果之外，Andre Geim教授團(tuán)隊(duì)還在二維原子晶體的其他多個(gè)方面有所突破，在次不一一摘錄。最后，我們想與大家分享幾條Andre Geim教授的科研理念，祝大家在在追尋真理的道路上越戰(zhàn)越勇，不斷前行！“當(dāng)有些人拿到諾貝爾獎(jiǎng)后開始停止做科研，甚至停止做很多他該去做的事，并且其他方面的事物會(huì)纏繞著他很多年，這樣他更不能專心工作。但對于我來說，我會(huì)像往常一樣繼續(xù)我的研究，認(rèn)真工作，享受研究。”“在石墨烯之外，還有很多新的東西值得學(xué)習(xí)。如果你一直局限于一個(gè)點(diǎn)，肯恩會(huì)讓你的而思維固化，我不想這樣。”“石墨烯大規(guī)模應(yīng)用，可能還需要二三十年甚至更長的時(shí)間，基礎(chǔ)研究就是這樣，這是科學(xué)規(guī)律。”Andre Geim，荷蘭和英國雙重國籍，物理學(xué)家。1958年出生于俄羅斯，現(xiàn)任英國曼徹斯特大學(xué)Regius教授和英國皇家學(xué)會(huì)研究教授。2007年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)院士，2012年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院外籍院士。2017年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士，被荷蘭和英國女王授予爵位。在國際知名刊物上發(fā)表SCI論文300余篇（其中在Science和Nature上發(fā)表論文30多篇），共計(jì)被SCI引用126,000多次，多次入選Thomson-Reuters世界高被引科學(xué)家前10位。
