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对话学者:亚琛工业大学 Christoph Stampfer 教授

Christoph,您好!我们从 Zurich Instruments 成立之初就认识您,当时您还在苏黎世联邦理工学院。当时,您在研究如何利用石墨烯这种神奇的材料,并制作出了第一批石墨烯量子点。在那之后发生了哪些变化?这一领域进展如何?

变化很大。我们在 2007 年开始制作石墨烯量子点时,石墨烯仍被视为一种非常新的材料。尤其是,它当时仍然是唯一能供我们使用的二维材料。直到 2010 年,六方氮化硼 (hBN)(一种与石墨烯相似的绝缘材料)才走进人们的视野。现在有很多可用的 2D 材料,包括半导体、超导体、铁磁体等等。直到 2013 年,干燥转移工艺才真正成熟,这是制造高质量石墨烯器件的真正关键步骤。将 SiO2 上的石墨烯转换为 hBN/石墨烯/hBN 异质结构也显著提高了使用合成石墨烯(即通过化学气相沉积法生成的石墨烯)制造的器件的电子质量。如今,常规情况下,室温下的载流子迁移率可达到大约 100000 cm2/(Vs),胜过所有其他已知材料。这使得石墨烯成为一种关注度非常高的材料,可广泛应用于高频电子和集成光电子领域。在欧盟石墨烯旗舰项目中,已为实现这一目标付诸了巨大努力。两年前,我们还成立了亚琛石墨烯和 2D 材料中心,旨在缩短基础科学与应用之间的差距。

从更根本的角度看,我发现一件特别有意思的事,由于范德华力较弱,我们几乎可以随意将 2D 材料堆叠在一起。这使研究人员可以制作超晶格并观察与莫列条纹有关的有趣物理现象。最近,研究人员以“魔角(约 1.1 度)”在扭曲双石墨烯分子层中形成超晶格,使超导性和相互作用引起的绝缘态成为现实。这项研究成果相当了不起,是现代固态物理学实现新突破的一大例证。目前,该领域的研究工作正在如火如荼地进行。例如,德国最近开启了“二维材料 - 范德华[异质]结构的物理现象”重点计划。

石墨烯量子点的进展如何?您是否仍在从事这方面的研究?

多年以来,我们一直试图从蚀刻的石墨烯纳米结构中获得干净的量子点,这是为数不多的能够在这种无间隙材料中约束电子的方法之一,后来我们逐渐将目光转向了双层石墨烯。在双层石墨烯中,我们可以通过施加垂直电场来打开带隙,从而打破此种材料的反演对称性,并成功对电子进行静电约束。事实上,这种方法已有多年历史,但需要引入 hBN 和超平整石墨栅极才能投入实际使用。如今约有三个小组正在从事这类系统的研究,包括苏黎世联邦理工学院的 Klaus Ensslin 小组和我们小组,看到这些量子点的性能比其他系统高出很多,我感到无比欣喜。就目前来说,在这样的量子点中,我们可以稳定实现单电子占据量子点的效果,并且我们正在加深对这一系统的理解,以便着手测试系统在自旋和谷量子位方面的适用性。

你们有一整套 Zurich Instruments 的锁相放大器,这些仪器为你们的工作提供了哪些帮助呢?

我们正在针对基于石墨烯的纳米机电系统开展实验,包括高度可调的石墨烯谐振器;这便是我们选用 UHFLI 600 MHz 锁相放大器的契机,因为没有其他产品能够提供这么大的测量频率范围。我们现在已经有了两台 UHFLI 600 MHz 锁相放大器,准备扩大这类实验的规模。我们的实验室中还有几台 MFLI 锁相放大器,用于开展关于石墨烯和双层石墨烯量子器件的一些实验。最近,我们还入手了一台 Zurich Instruments 的 AWG,它能够帮助我们了解双层石墨烯中潜在的自旋和谷量子位等物理现象。

听起来很有趣,您是如何实现如今的成就的呢?分享一下您作为一名科研工作者的心路历程吧。

我曾多次想过要放弃科研,但最后还是坚持了下来。我在意大利的德语区(南蒂罗尔)长大,在最后 5 年的中学生涯中,我就读于一所职业技术中学,愉快地度过了学习如何成为一名工业电子技术员的日子。毕业后,我幸运地考上了大学;然而,我的毕业成绩没能满足瑞士苏黎世理工学院的录取标准,所以我决定去维也纳技术大学学习电气工程。在第二学期进修半导体器件课程期间,我的教授劝说我研究技术物理,我听从了建议并完成了理论物理学硕士学位论文。为了继续在微电子领域的研究,我转而投身机械与过程工程专业,加入了苏黎世理工学院 Christofer Hierold 的团队,攻读微纳米系统技术博士学位。之后,我从机械与过程工程系转到物理系,和 Klaus Ensslin 一起从事博士后研究工作,那是我第一次在低温环境下工作。2009 年,我搬到了亚琛,作为初级教授在亚琛工业大学和于利希研究中心任职。2013 年,我幸运地晋升为正教授。

您对于教育方面的兴趣也在与日俱增。给我们详细讲讲 Phyphox 这款物理学应用吧。

Phyphox 代表“手机上的物理实验”,这是一款先进的手机传感器应用,能够让智能手机变成一个小型物理实验室。这是对中学和大学科学教育的一个全新尝试。这款应用能够让你瞬间化身为一名探索者,通过各种实验满足你的好奇心。2015 年,在准备第一学期的实验物理导论课时,我问自己,怎样才能激发学生自己动手做实验呢?我的经验是,仅仅观看别人做实验并没有多少实际效果。因此,我开始使用手机来做实验。我和哥哥在家做的第一个实验是:我们把智能手机放进纸卷里,让它在地板上滚动,然后分析数据。我们很快就得到了一系列很棒很有趣的数据,这让我们兴奋不已。我们决定把它做得更专业,在我们的实验物理讲座上实现真正的“翻转课堂”式教学。

学生们对这款应用反响热烈。Phyphox 应用在 2016 年 9 月发布。迄今为止,这款应用的安装量高达 85 万次,并已被翻译成 16 种语言。这款应用是免费的,而且将永远免费下去。事实上,我们刚刚把它做成了开源项目。

体育和艺术对您意味着什么呢?

就我而言,体育和艺术与科学密不可分。我喜欢观看体育比赛,也喜欢与体育爱好者一起共事。我认为体育运动倡导的是一种充满正能量的精神,能够激励人们奋勇争先、公平竞争。我在童年时有将近七年的滑雪经历,相关的训练对我产生了很大的影响。艺术同样十分重要,在关注创造力这方面,艺术与科学一脉相承。我过去经常画画,尤其是在苏黎世攻读博士期间。我现在仍然经常去逛画展,并且喜欢为图片选择漂亮的色标,但学生们有时候并不买账。

Prof. Christoph Stampfer, RWTH Aachen

Christoph Stampfer 是亚琛工业大学第二物理研究所量子设备和 2D 材料小组负责人。他的研究方向是石墨烯等 2D 材料,量子输运,及其在量子技术中的应用。

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