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撰文 | 陳靜
石器時代、青銅時代、鐵器時代……這些時代，以人們用于制造工具的材料命名。人類大步向前的歷史，也是不斷尋找新材料“為我所用”的歷史。
我們的時代，材料舞臺上的“主角”是硅。脫胎于最不起眼的沙礫，硅最終被制成大大小小的芯片，控制著手機、電腦、服務器，成為信息時代的“心臟”。
每18個月，芯片上可容納的晶體管數量增加一倍，性能提升一倍，1997年擊敗國際象棋世界冠軍的IBM“深藍”超級計算機，計算速度甚至只有如今普通手機的幾十分之一。這就是半個多世紀來屢試不爽的“摩爾定律”，它也代表著人類使用硅的水平與日俱增。
但是，“摩爾定律”并非沒有終點。畢竟，7納米厚的晶體管，厚度只相當于幾十個原子，如果厚度無限變薄，硅作為半導體的性質將完全消失。甚至有預測認為，“摩爾定律”的極限在2025年就將來臨，迫在眉睫。
不止是芯片。就像芯片由硅晶體管這樣的器件組成一樣，顯示屏、信息存儲、未來的量子計算……信息時代的“基礎設施”們，都在期待人們能在原子尺度上尋找新的材料，發展新型的器件。
這就是復旦大學物理學系教授、2020年“科學探索獎”獲獎人凝聚態物理學家張遠波的工作。推開他的辦公室門，森林綠的墻面，實木鐵藝的辦公桌和書架，一輛山地自行車……比起凝聚態物理學家，這間辦公室更像是屬于時尚設計師。“我的目標是，探索新材料，發現新物理。”張遠波期待神奇的二維材料能提供新的解決之道。
張遠波
復旦大學物理學系教授
2020年“科學探索獎”數學物理學領域獲獎人
獲獎理由：肯定他在新型二維材料探索及其電學特性研究方面的貢獻，支持他在強關聯與拓撲二維材料的新物理和器件研究等方向進行探索。
柳暗花明的“納米鉛筆”
想象一下，把一個海綿球扔進墨水，如果球太小，內芯也會被染色。但如果扔進一塊玻璃，哪怕非常薄，內芯卻能始終保持透明。
硅就像這個海綿球，因為它的表面總要和氧反應形成氧化硅，所以做成的晶體管不能無限小。而石墨烯其實就是單層碳原子構成的石墨薄片，盡管如此之薄，卻因為不會和外界反應而能保持穩定。如果能用石墨烯制作晶體管，就有望將芯片密度進一步提升。
2002年秋天，正在哥倫比亞大學攻讀博士學位的張遠波是年輕的導師Philip Kim招收的頭三個學生之一，他開始嘗試研究石墨烯：“那時石墨烯還只在理論上存在可能，沒有人能真正分離出來。”
最關鍵的困難是，怎么將普普通通的石墨，“剝”出只有一層原子厚度的材料。“我們平時用鉛筆寫字，其實就是把鉛筆芯里的石墨剝離到紙上，這成了分離石墨烯的靈感來源，我們做出了非常非常小的'納米鉛筆’，筆尖只有一兩個微米大，用微機械手控制在硅片上'寫’，再用顯微鏡來尋找'筆跡’里有沒有石墨烯。”
花了整整兩年時間，張遠波的“納米鉛筆”已經能“寫”出30層原子厚的石墨薄片，石墨的性質此時已開始變化，張遠波據此寫出了自己的第一篇論文。他也和隔壁實驗室的臺灣姑娘譚硯文相識相知，年輕的戀人徜徉在紐約的大街小巷，家里現在還收藏著“911”前兩人去雙子塔看藝術展的訪客卡片。“一起看了好多電影節和藝術展，只是人家問起，一說我們是學物理的，天就聊不下去了。”張遠波大笑。
一切都“看上去很美”，直到張遠波讀到新一期《Science》上，英國曼徹斯特大學Andre Geim課題組的論文，對方搶在前面，做出了石墨烯。Geim和他的博士生Novoselov，甚至因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。
“他們制備石墨烯的方法粗糙但有效，就是拿文具店里能買到的膠帶去粘石墨，再去找有沒有粘下來石墨烯。和'納米鉛筆’比，我們是很精確地控制一個“筆尖”，他們是不精確地控制很多個，他們的方法勝出了。”張遠波回憶道，“看到論文之前，我們完全不知道他們在做類似的工作，我和我的導師都非常沮喪。他當時正在申請長聘教授，還安慰我說，你總是能畢業的，我倒是那個真正要擔心的人。”
但打擊之后，研究還要繼續。張遠波發現，對方雖然做出了石墨烯，但樣品質量不高。憑借之前“納米鉛筆”的經驗，可以繼續優化制備方法，甚至從中發現新的物理。“當時實驗室有幾種來源的石墨，我們選定了一種認為最好的，但做出的石墨烯一直難以提升質量，后來突然想起，之前還買過另外一種石墨，盡管覺得它更'臟’一些，還是試試看。沒想到做出來在磁場中一測，樣本的電阻是0，當時第一反應是，樣本壞了，檢查了一遍再測還是0。反復確認之后，我發現樣品沒有壞；這其實是一個全新的物理現象'半整數反常量子霍爾效應’。趕緊存下數據發給導師，特別開心，我們終于做出了質量高很多的石墨烯。這讓故事的結局還算圓滿，Philip拿到了終身教職，我也順利畢業。”
今天回憶起“納米鉛筆”和之后的柳暗花明，張遠波頗為感觸：“做實驗的時候一定要有冷靜的判斷。實驗的“美”有它自己的規律，而不是憑自己的喜好或想當然所認為的精美或者粗糙。物理世界里，如果太偏執于自己的想當然，就會走很多彎路。”
張遠波在復旦科普活動上講述他的工作
二維材料的“新主角”
自從可以被真正“造”出來，石墨烯一躍成為全世界科學家關注的焦點，它被發現有一系列獨特的性質：完全透明，非常堅硬，導電性超過銅和銀，導熱性是是已知材料中最高的之一……
然而，石墨烯沒有“能帶間隙”。這就意味著，它無法像硅一樣借由通電和斷電表示“0”和“1”，無法制成晶體管，用石墨烯提升芯片密度的希望落空了。
但石墨烯仍為人類推開了一扇大門。和它一樣由單層原子構成的新材料被稱為二維材料。石墨烯不行，其他的二維材料行不行呢？對這些材料的探索，成為凝聚態物理中最活躍的領域之一。
張遠波和譚硯文結了婚，作為實驗物理學家，他們為參加婚禮的朋友們準備了特別的禮物：蝕刻著朋友們名字的香檳杯。“窮學生嘛，杯子都是用最便宜的，我們倆自己買材料，自己動手刻。家里沒地方，要等到夜里實驗室里大家都走了，偷偷開工……”科學家，有科學家自己的辦法。
2011年，夫妻倆回到上海，從同學成了復旦大學物理系的同事。張遠波也將目光投向了新的二維材料。
現在已經大名鼎鼎的黑磷就是舞臺上的新主角之一。這本是一種已經被發現了一百多年的“老”材料，但被制成二維黑磷后，它體現出優秀的性能：作為半導體，黑磷有能帶間隙，可以表示“0”和“1”，還有良好的電子遷移率，這個參數決定了半導體器件的響應速度。“晶體管不光要能表示'0’和'1’，還要有好的響應速度，如果電子遷移率太低，響應速度太慢，一樣沒辦法用來做芯片。”2014年，張遠波與中國科技大學教授陳仙輝合作的二維黑磷場效應晶體管，成為國家基金委的“年度十大成果”之一。
張遠波也在研究磁性二維材料。磁性意味著二維材料可以更穩定，也意味著它有可能扮演信息時代的另外一個重要角色——存儲。“為什么有磁盤這個名字，實際上就是因為信息存儲是利用了磁性。如果將信息存儲也縮小到原子尺度，美國物理學家費曼做過一個估算，假設125個原子編碼一個字符，那么儲存人類有文字記錄產生的全部信息，只需要一顆灰塵那么大的空間。”如果人們能夠在如此微觀的尺度下操控和控制物質，世界的變化將遠超想象。
“但是，我從來不想給人印象，黑磷就會取代硅，或者二維磁性材料很快就能用上。在這條路上，決定新材料有沒有用的不是它的優點，反而是它的缺點。比如成本、工藝難度。凝聚態物理學家探索新材料，找到那些存在應用可能性的新面孔，但這不代表產業化應用就一定能成功。”張遠波說。
張遠波和他的科研團隊
淘寶找來的“高精尖”
在常以納米作為計量單位的二維材料世界里，一根頭發絲大如一座珠穆朗瑪峰。
正因如此，走進張遠波的實驗室，一個個一人多高的巨大設備不免讓人覺得意外，更意外的是，這些動輒造價以百萬元計的“寶貝”，不少出自他和團隊成員的親手設計。“我們想要的設備市面上沒有現成的，只能自己設計再找人來組裝搭建。”
張遠波在實驗室
比如用于堆疊二維材料的一個自動化“機床”，甚至可以一個原子層一個原子層地組裝自然界不存在的新材料。“關鍵就是'機床’可以在一個超高真空的環境工作。你看有些器件是用錫箔包起來的，那是烘烤時候保溫用的，為了實現和外太空差不多的真空程度，就要烤干水汽，要把它們加熱到100多攝氏度，一下要烤一兩天。”張遠波說，這樣精度的設備，不少零件居然是淘寶上找的加工中心加工出來的，這又是一個意外。“你把圖紙寄給他們，過兩天零件就到手了。這兩年感覺特別明顯，再怎么要求精度，總有廠家能實現，國內現在的工業能力真的很強大。”
不過，實驗環境的高要求，實際上也說明，通向原子級芯片的路，中間還矗立著一座座等待攻克的“高山”。二維材料中的絕大部分，目前仍需要在高壓、真空或者極低溫度這樣的極端環境下才能保持穩定。
這樣的困難反而讓張遠波愉快又興奮。“你會遇到全新的方向，你的實驗不僅僅是驗證理論，還在發現新的物理。在這個時代，在中國做研究真的很幸福，國家的財力和制造能力都足夠支撐這些原本很貴的研究。如果我還在美國，不可能像現在一樣有這么多的實驗設備，實驗室有十多個人的團隊。我想這不光是我一個人的感覺。這個世紀以來，中國的凝聚態物理研究飛快發展，在不少方向現在已經處于第一梯隊。”
他也愉快地享受著生活的樂趣。妻子譚硯文和他在同一層樓辦公，周末兩人的習慣頗有文藝青年風范，在市中心尋找別致的咖啡館，一邊喝咖啡一邊工作。他們也在上海“發掘”出不計其數的美味餐廳。“有時系里同事要請人吃飯，還來問我們的意見。不過自從兒子出生后，這種機會又越來越少了。”張遠波說，盡管他和妻子只是偶爾討論各自的研究，但科學家伴侶最大的好處是彼此高度的理解和同理心，“你們都明白，對方會因為什么感到挫折，也知道怎么打氣最有用，而且可以毫無保留地分享對世界的看法。”
張遠波一家
張遠波說：“問題在哪里我們的路就在哪里，碰到什么難題我們就去解決什么難題，需要造新的儀器就去造新的儀器，需要學新的物理就去學新的物理。這個時代給予了實驗物理很大的自由度，我還蠻喜歡這種工作方式的。”
張遠波的兒子今年剛剛5歲。如果他將來也想做物理學家？“那太好了！希望適合他。”張遠波不假思索，“對我來說，世界上再沒有更好的職業。”
張遠波和他5歲的兒子
本文經授權轉載自微信公眾號“科技探索獎”。
