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我院理科试验班2010级校友赵问津在二维材料研究中获重大发现

时间:2018-08-31

近期,华盛顿大学以“一种充满惊喜的二维材料”为题,国内一些媒体以“二维金属也能具有铁电特性”为题,纷纷报道关于WTe2的科学新发现。7月23日,在一篇发表于《自然》期刊上论文中,研究人员报道了一种二维的金属化合物二碲化钨(WTe₂)的新属性。研究人员惊喜地发现,WTe₂的二维形式可以历“铁电开关”(ferroelectric switching):当两个单层结合在一起时,产生的“双层”就会自发地发生电极化。这种极化可以通过外加的电场,在两个相反的状态之间翻转。WTe₂是目前剥离出的第一个表现出铁电开关的二维材料。在此发现之前,科学家只在电绝缘体中看见过铁电开关。但显然,WTe₂并不是电绝缘体,它实际上是一种金属,尽管不能算得上是非常好的金属。WTe₂还能在室温下保持铁电开关的特性,而且它的转换是可靠的、且不随着时间的推移而退化的,这与许多传统的三维铁电材料有所不同。这些特性或许能使WTe₂比其他铁电化合物成为更有应用前景的材料。

目前普遍认为,铁电材料都是绝缘体,这是由于导体中的自由电子会完全屏蔽电偶极矩,从而无法形成长程铁电序。然而,1965年诺贝尔物理学奖获得者P.W.Anderson与其合作者E.I.Blount预测了一种特殊的量子态--铁电金属,即材料中铁电性和金属性共存。半个多世纪以来,科学家一直在苦苦寻找室温二维铁电金属材料,就像寻找水与火共存的材料,极其稀有。

铁电开关是华盛顿大学物理学家对单层WTe₂作出的第二个重大发现。在2017年发表在《自然·物理》期刊上的一篇论文中,说明了WTe₂也是一种“拓扑绝缘体”,这是第一种具有这种奇异特性的二维材料。在拓扑绝缘体中,电子的波函数(即电子的量子力学状态的数学描述)有一种内在的扭曲。正因为消除这种扭曲存在一定困难,才使得拓扑绝缘体可被应用于量子计算(试图利用电子、原子或晶体的量子力学属性,产生计算能力比当今技术要快得多的领域)中。这一新的发现源于华盛顿大学物理系David J. Thouless教授开发的理论“物质的拓扑相变和拓扑相”,2016年10月4日,他因对在二维领域的拓扑研究,而获得2016年诺贝尔物理学奖。

据悉,该团队首次发现“单层WTe₂具有超导现象”的论文,已收到《科学》录用通知书,近期就会正式发表。

这些报道中谈到的三篇论文的作者,正是少年班学院理科试验班2010级校友赵问津。其一是2017年4月10日,赵问津与同事合作发表在《自然·物理》(Nature Physics)上的Edge Conduction in Monolayer WTe2(《单层二碲化钨的边缘导电特性》)。其二是2018年7月23日,赵问津作为共同第一作者,在《自然》(Nature)上发表的Ferroelectric Switching of a Two-dimensional Metal(《在二维金属中的铁电切换》)。

赵文津2010年从郑州一中考入中国科学技术大学少年班学院理科试验班,就读期间,赵问津赴美国继续深造的目标非常明确,学习更加刻苦,一边努力学好每一门功课,一边参加袁军华教授实验室的学术研究,还不忘抽空准备GRE、托福。2011年底,赵问津获得光华奖学金,并获得了大学学费的豁免权。2013年,中科大教务处与新创基金会联合发起“顶尖海外交流奖学金”。赵问津作为首批公派学生,获得十几万元奖学金,赴牛津大学开展为期三个月(2013年7月1日~9月27日)的科研活动,方向是“光合作用中的量子效应”。

2014年6月,赵问津以全部课程GPA4.01的优异成绩,获得中科大“优秀毕业生”称号。他的理论力学A+、电动力学A+、量子力学A+、热力学与统计物理A,以“四大力学全A”的佳绩在中科大被传为佳话。2014年春天,赵问津同时获得美国五所名校“全额奖学金博士研究生入学通知书”。最后,他选择了华盛顿大学物理系,研究方向是“过渡金属硫化物二维材料的物理特性”。

二维材料,是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料,如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的,该项成果获得2010年诺贝尔物理学奖。

由于较大的表面积/体积比和量子效应,从而纳米材料具有不同于体材料的优异性能。石墨烯作为一种比较成功的层状材料,其优异的电子结构、电导特性和较大强度,吸引了广大研究者的注意。但是,石墨烯的零带隙这一缺陷,严重限制了它在某些领域中的应用。近年来,由于过渡金属硫化物材料具有半导体或超导性质,且在纳米级光电子学等领域广泛地应用,因而引起了广大物理学家、化学家的兴趣。过渡金属硫化物层状材料不仅可以应用于电子学领域(晶体管、逻辑元件、传感器和柔性电子学),能源技术(太阳能电池、氢存储和电池),先进工程材料(纳米符合材料),而且还可以广泛应用于自旋电子学领域。

对于社会大众而言,21世纪或许是一个科技革命的时代,例如智能手机或社交媒体的出现,彻底改变了现代人的生活方式。但对于许多科学家来说,21世纪还是二维材料的时代。发表在《自然》(Nature)、《科学》(Science)上的这三篇论文,均是过渡金属硫化物二维材料领域的重大科学发现,说明赵问津已经站在该领域的珠穆朗玛峰上,每前进一小步就是一个世界新高度。赵问津25岁取得的这些重大科学发现,凝结了赵问津将近十年艰苦研究的结晶,奠定了赵问津在全球材料科学的领先地位,见证了一个国际杰出青年科学家的冉冉升起。

到目前为止,赵问津与同事对WTe₂作出的所有测量结果,都或多或少的带来了一定的惊喜。因此,他们计划将继续对单层的WTe₂材料进行更深入地探索,以求获得更多的发现。







 
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