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(chǔ)研究。此前在國新辦發(fā)布會上，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(xué)家項目。

挑戰(zhàn)最難科學(xué)問題，在基礎(chǔ)研究的“無人區(qū)”里競賽，江蘇一批優(yōu)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(guān)鍵技術(shù)……他們緊扣國家戰(zhàn)略，瞄準(zhǔn)國際前沿科學(xué)方向，自由探索、大膽創(chuàng)新。在他們看來，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域充滿未知和奇特現(xiàn)象，也充滿無限可能和機(jī)遇。

開啟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(tài)物理的前沿?zé)狳c(diǎn),其突破將帶動電子、能源等一系列產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革。

什么是二維量子材料？南京大學(xué)物理學(xué)院教授王雷長期從事二維量子材料的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的研究，他告訴記者，量子效應(yīng)通常發(fā)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(yùn)動,而另一個維度被限制在單層原子尺度，“簡單來說，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(xiàn)出許多與傳統(tǒng)三維體系不同的新奇物性。”

南京大學(xué)物理學(xué)院教授王雷

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(xué)教授安德烈·海姆和他的博士后分離出石墨烯，第一次發(fā)現(xiàn)二維材料，并因此獲得2010年諾貝爾獎。”王雷告訴記者，到2010年左右，人類在實(shí)驗上可以獲得的二維材料已經(jīng)從一種擴(kuò)展到了幾十種。近十年來，這個領(lǐng)域飛速發(fā)展，到2020年，科學(xué)家們統(tǒng)計實(shí)驗上可分離出的二維材料數(shù)目已經(jīng)多達(dá)近2000種， 涵蓋了金屬、半金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、超導(dǎo)體、拓?fù)洳牧系鹊取Ｆ渲羞^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(dǎo)體屬性不同，部分TMD二維材料是具有帶隙的半導(dǎo)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(guān)比，同時其天然的小尺寸與優(yōu)越的散熱性能，有望讓芯片變得更小更快更節(jié)能。”

盡管二維材料越來越多，但從基礎(chǔ)科研角度來講，材料的維度降低以后，還有很多納米科學(xué)和表界面科學(xué)相關(guān)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(xiàn)象，首先要做到二維材料的高品質(zhì)。”2010年，還在哥倫比亞大學(xué)博士求學(xué)期間，王雷就瞄準(zhǔn)了高質(zhì)量的二維材料器件，王雷科普道，“由于二維材料只有一層原子厚，上下兩面都暴露在外，缺陷、雜質(zhì)在所難免。”

在讀博的頭三年時間里，王雷沒有發(fā)一篇論文，鉆研降低缺陷、提高器件品質(zhì)的方法，最終發(fā)明了二維材料的pick-up轉(zhuǎn)移和堆積技術(shù)，“通俗地說，在微觀世界里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(shí)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(zhì)量，所測量的石墨烯電子遷移率首次達(dá)到理論上的預(yù)測值，這個值在目前仍然是領(lǐng)域內(nèi)的世界紀(jì)錄，成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

除了為二維材料電子器件的“高品質(zhì)”帶來突破，這個研究的后續(xù)衍生發(fā)展讓王雷出乎意料，此研究中所發(fā)明的二維材料pick-up轉(zhuǎn)移和堆積——“搭積木”——的技術(shù)，開創(chuàng)了“二維材料異質(zhì)結(jié)”這個新的研究領(lǐng)域。科學(xué)家開始用“pick-up”的技術(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)，在這個領(lǐng)域上國內(nèi)外多個團(tuán)隊取得了重要科研成果。

“在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，一個技術(shù)難題的攻克，往往會帶來一系列的科學(xué)上的突破。”王雷表示，后面自己很多研究也因此而“水到渠成”，包括實(shí)驗觀測到霍夫施塔特蝴蝶能譜、隨外電場可調(diào)控的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)、量子分形體系中的反常分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)、單層原子上的隨應(yīng)力可調(diào)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(diào)控激子等。就在去年，王雷教授課題組與來自德國馬普物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究所，美國哥倫比亞大學(xué)物理系的研究小組合作，在雙層轉(zhuǎn)角過渡金屬硫化物（WSe?）中發(fā)現(xiàn)電子關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)。目前王雷在二維量子材料的電輸運(yùn)，電子關(guān)聯(lián)體系等物理性質(zhì)上作出的一系列一流科研成果，其中有9篇分別發(fā)表在《科學(xué)》《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(xué)家們?nèi)グl(fā)掘，盡管在取代硅基芯片方面，二維半導(dǎo)體材料還有瓶頸：“要應(yīng)用在規(guī)模化高端器件上，目前二維量子單晶材料，還很難在生產(chǎn)線上高質(zhì)量、大規(guī)模，大面積，低成本的制備。”王雷表示，二維材料是否會是引領(lǐng)未來芯片的發(fā)展仍是未知，但二維材料的新世界已經(jīng)開啟，包括石墨烯在內(nèi)的二維材料還有更多的物理特性等待科學(xué)家們?nèi)グl(fā)掘。

探究微納材料的物理力學(xué)本質(zhì)

21世紀(jì)，機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)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(xué)、力學(xué)性能為各領(lǐng)域所矚目，探索微納尺度材料的物理力學(xué)本質(zhì)，通過力學(xué)作用調(diào)控材料的性質(zhì)，是基礎(chǔ)研究的一個重要方向。

南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院教授郭宇鋒介紹，在微納尺度的物理力學(xué)，與宏觀世界成熟的力學(xué)規(guī)律不一樣，原子、分子間在微納尺度有復(fù)雜的相互作用,其力學(xué)性質(zhì)比如彈性模量、抗壓強(qiáng)度等本身就與宏觀尺度的材料不同，“我們不僅要發(fā)現(xiàn)它的機(jī)理，還要通過力學(xué)的作用來調(diào)控它的物理化學(xué)性質(zhì)。”

南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院教授郭宇鋒

作為國際熱門研究方向，我國在微納尺度的物理力學(xué)研究上，與國外齊頭并進(jìn)，各有特色。在郭宇鋒看來，這是一個充滿未知和奇特現(xiàn)象的領(lǐng)域，“比如有些低維度材料，本身導(dǎo)電性不太好，但微納尺度下的某種固體和液體表面發(fā)生一個摩擦?xí)r，卻發(fā)生了顯著的電荷轉(zhuǎn)移。摩擦大小和發(fā)電之間的關(guān)系到底是什么？”郭宇鋒說，這背后的原理和機(jī)制，讓人充滿了好奇。

“從長遠(yuǎn)來說，我們類似這樣，通過力學(xué)作用調(diào)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(jī)電系統(tǒng)提供基本原理和機(jī)制。但基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)在于不可知，在于充滿無限可能。”郭宇鋒認(rèn)為，對于基礎(chǔ)科研而言，首要的是發(fā)現(xiàn)新奇的現(xiàn)象，解釋清楚現(xiàn)象背后的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)用途后再設(shè)法在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)，那就是應(yīng)用研究的開始。科學(xué)理論的探索和工程問題的解決，總是相互依賴、相互促進(jìn)的，“我們有的基礎(chǔ)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(dāng)代基礎(chǔ)研究的顯著特征，是不同學(xué)科間的交叉、滲透、融合的趨勢日益增強(qiáng)。郭宇鋒告訴記者，微納尺度的物理力學(xué)屬于交叉學(xué)科，包括力學(xué)、物理、化學(xué)以及材料多學(xué)科的知識，“對低維度材料施加力，會產(chǎn)生應(yīng)變梯度，從而讓原子上的電荷產(chǎn)生極化，電極化強(qiáng)度與應(yīng)變梯度之間又會產(chǎn)生力電耦合，需要用多學(xué)科的知識來解釋微納世界里的物理力學(xué)現(xiàn)象。”

近年來，郭宇鋒針對低維材料的界面作用與力學(xué)性能、力電耦合與器件原理等重要科學(xué)問題開展了深入的多學(xué)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(jī)制、石墨烯水伏發(fā)電器件中基底電負(fù)性和含離子水的協(xié)同效應(yīng)、低維材料的撓曲電效應(yīng)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(jī)理，發(fā)表SCI 論文 50余篇，研究成果被SCI他引1170余次。

搶占世界光通信核心位置

“十四五”規(guī)劃中提到，要堅定不移建設(shè)制造強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國。面對數(shù)字化浪潮，包括云計算、大數(shù)據(jù)、AI及5G在內(nèi)的種種趨勢都在促成新一輪的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)一步加快，對新基建主力軍——光通信行業(yè)提出更高的要求。

從T比特到百T比特，再到如今正在研發(fā)中的P比特，南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院院長劉博及其團(tuán)隊隨著國家戰(zhàn)略的不斷升級，研究項目也不斷升級。2019年，他團(tuán)隊承擔(dān)了P比特級光傳輸系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)研究國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，目前正在火熱研發(fā)階段。

現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)幾乎都是T比特量級，而一個P等于1000個T，做P比特級光傳輸系統(tǒng)就相當(dāng)于把目前的容量提升1000倍。”劉博告訴記者，隨著各類應(yīng)用不斷升級，物聯(lián)網(wǎng)會發(fā)展到何種程度無法想象，但可以肯定的是目前光纖架構(gòu)難以支撐不斷發(fā)展的需求。“如果把現(xiàn)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(shè)計系統(tǒng)也就勢在必行。”

從百T比特量級到P比特并不只是擴(kuò)容那么簡單，而是一個涉及多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性工程。耦合器、信號放大器、前后端信號的調(diào)制、解調(diào)、探測、接收、處理等都要重新制定標(biāo)準(zhǔn)，光纖也將由單模單芯變?yōu)樯倌６嘈尽！皬氖澜绶秶鷣砜矗鲊谏倌６嘈镜膶＠⒉欢唷Ｔ跓o人區(qū)里競賽，要盡早拿出成果才能搶占核心位置。”

沒有前人的經(jīng)驗可以借鑒，從光纖本身到器件都需要自主研發(fā)。對我們國家來說有機(jī)會在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，領(lǐng)先世界一個身位。但同時，光通信系統(tǒng)的研發(fā)也面臨很大的挑戰(zhàn)。

劉博介紹，單以光纖為例，從結(jié)構(gòu)的設(shè)計到制作工藝每一個步驟都很有難度。光纖是一種非線性的介質(zhì)，信號受到的損傷是不定的，少模多芯初步設(shè)計的19芯4個模式結(jié)構(gòu)，意味著信號從單車道變?yōu)椤?6車道”并行。如何保證信號正確接收而不串?dāng)_？在制作環(huán)節(jié)，如何同時對19個預(yù)制棒加熱，拉制頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖？一個個問題都有待探索。

做應(yīng)用基礎(chǔ)研究好比上臺階，既是新的突破，也源自以往的積累。“技術(shù)是有傳承的。”光纖設(shè)備落地應(yīng)用中遇到的站點(diǎn)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，都會回歸到實(shí)驗室中變成理論突破的關(guān)鍵點(diǎn)，再投入應(yīng)用解決實(shí)際問題，循環(huán)往復(fù)直到有能力支撐大規(guī)模商用落地。遵循“十年周期法則”，光通信系統(tǒng)的研究也是著眼未來，具有戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性和引領(lǐng)性。“我們青年科研人員要提早布局，敢做能‘捅破天’的事情。”

作為“追光者”，對光通信系統(tǒng)的研究不會止步于此。劉博團(tuán)隊在做好光信號大容量長距離傳輸系統(tǒng)研發(fā)的同時，還在光網(wǎng)絡(luò)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，保障骨干通信網(wǎng)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(tǒng)更應(yīng)該是感傳一體的。這些方面都亟待我們?nèi)ヌ剿鳌！?/p>

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