納米人編輯部對全球重要科研團隊2020年代表性成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是石墨烯之父、諾貝爾物理學獎得主、搞笑諾貝爾獎得主、中國科學院外籍院士、美國國家科學院外籍院士、曼徹斯特大學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，因為在石墨烯方面的開創性工作而榮獲2010年諾貝爾物理學獎，被譽為石墨烯之父。Andre Geim教授有30篇論文被引次數超過1000次，6篇論文被引次數超過10000次。在人類歷史上被引次數最多的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歲的時候，H因子還只有1。有一次，他不小心把水灑到具有超強磁場的儀器中，意外發現了反磁懸浮技術，由此獲得2000年搞笑諾貝爾獎，成為了唯一一個既獲得諾貝爾獎又獲得搞笑諾貝爾獎的人。此外，他還受到壁虎的啟發，發明了一種仿生壁虎膠帶，具有極強的黏性。
Andre Geim教授對中國石墨烯等二維原子晶體材料領域的發展和人才培養做出了重要貢獻。2009年獲得中國科學院「愛因斯坦講席教授」，2017年與清華大學清華-伯克利深圳學院聯合成立「深圳蓋姆石墨烯研究中心」並擔任主任。Andre Geim教授也很重視與中國石墨烯產業界的合作，積極推動了中國石墨烯的產業化應用進程。
Andre Geim教授課題組部分代表性研究成果包括但不限於：
由於Andre Geim教授成果頗豐，在諸多領域均有重要成果，此處僅列舉其中幾種，歡迎大家留言補充。
1）世界首次剝離出石墨烯，並對其電學、光學性質等進行了開創性研究，發現了石墨烯中的載流子表現出二維狄拉克費米子特性，具有半整數量子霍爾效應、室溫量子霍爾效應等一系列新奇物理現象，獲得諾貝爾物理學獎。
2）開創了其他二維原子晶體的研究，開闢了二維原子晶體研究領域，引領和帶動了世界範圍內對二維原子晶體的研究，並引領探索了二維原子晶體在分子、離子、質子、同位素分離等領域的應用。
3）開創了基於二維原子晶體的範德瓦爾斯異質結構材料新方向。
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領域進行了大量科學探索、深度創新和產業化推動。因篇幅原因，此處不做詳細介紹。
有鑑於此，納米人編輯部簡要總結了Andre Geim教授課題組2020年部分重要研究成果，供大家交流學習。
1）由於相關論文數量較多，本文僅限於通訊作者論文，如有重要遺漏，歡迎留言補充。
2）由於學術水平有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。
3）由於篇幅限制，部分成果未詳細解讀，僅以發表截圖展示。
頂級科學家似乎都更喜歡做開山式的原創工作。這一年，Andre Geim教授作為通訊作者發表的論文不多（因學識有限，如有遺漏，請大家留言告知），但是份量都很重。
2020年，Andre Geim教授主要集中於石墨烯等二維原子晶體領域的研究，為石墨烯等二維材料的發展提供了許多新的方向，取得的成果包括但不限於：
1）在石墨烯領域，主要致力於原子限域、氣體透過性和光學、電學性質和凝聚態物理等領域的研究。
2）在非石墨烯二維材料領域，主要致力於磁學性質和凝聚態物理等方面的研究。
其中，2020年最具代表性的成果包括但不限於：
1）發現原子限域毛細凝聚新現象，將開爾文方程的適用性拓展到亞納米尺度，是其開創的原子限域研究體系中一個新的裡程碑。
2）證實了無缺陷單層石墨烯對氣體確實不具有透過性，並拓展了無缺陷石墨烯對氣體不可透過性的極限。
本文主要篇幅將分為以下兩個方面展開：
Part Ⅰ 代表性成果
Part Ⅱ 二維原子晶體
2020年代表性成果1
發現原子限域毛細凝聚新現象
150年前，開爾文方程從理論上描述了毛細管內彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化。那麼，當限域尺寸與水分子的大小相當時，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現了原子限域毛細凝聚理論的新現象，將開爾文方程的適用性拓展到亞納米尺度。（技術詳情參見本文正文）
2020年代表性成果2
證實無缺陷單層石墨烯對氣體的不可透過性
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？機理如何？2020年，Andre Geim教授團隊通過實驗進一步證實了無缺陷石墨烯對氣體的的不可透過性，並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理。（技術詳情參見本文正文）
Part Ⅱ 二維原子晶體
二維原子晶體是Andre Geim教授的核心研究領域，2020年，Andre Geim教授的研究還是聚焦於石墨烯。具體內容如下：
1. Nature：原子尺度限域環境下的毛細凝聚現象
1875年，英國科學家威廉·湯姆森提出開爾文方程，從理論上描述了毛細管內彎曲的液氣界面引起的蒸氣壓變化。大量理論和實踐證明，開爾文方程對直徑小至幾納米的納米液體都適用。然而，對於尺寸更小的極端限域的環境溼度下，當限域尺寸與水分子的大小相當時，開爾文方程還能使用嗎？諾貝爾物理學獎得主Andre Geim教授長期致力於基於石墨烯的納米限域流體研究。有鑑於此，Andre Geim教授和中科大王奉超教授等人合作，進一步揭示了納米限域毛細凝聚理論的新進展。
基於晶態二維材料的範德華作用，研究人員成功構築了原子尺度的毛細通道，最下尺度達到0.4 nm，水分子只能以單層形式存在。基於這樣的原子尺度限域通道，研究人員令人驚訝的發現，開爾文方程依然能夠適用於強親水性（雲母）毛細管中的縮合轉變，並且在弱親水性（石墨）毛細管仍然有效（從定性角度）。這項工作為深入理解毛細效應和原子尺度限域行為提供了新的見解，並使得具有150年歷史的開爾文方程的適用性得到進一步拓展。（來源：中科大新聞網）
Qian Yang et al. Capillary condensation under atomic-scale confinement. Nature, 2020.
DOI：10.1038/s41586-020-2978-1
2. Nature：石墨烯對氣體的透過性！
以單層石墨烯為代表的無缺陷二維材料，雖然只有一個原子層的厚度，卻被認為不具有氣體和液體透過性。
從理論上而言：DFT計算表明，單層石墨烯對原子和分子的透過性具有非常高的能壘，至少幾個電子伏。因此，在常規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，一個原子想要透過一張沒有缺陷的膜，其花費的時間將比宇宙的歷史還要漫長。
從實驗上而言：以機械剝離的石墨烯為例，在氧化矽晶圓上刻蝕的微米級孔，並用石墨烯密封，以研究氣體的透過性。結果表明，沒有發現任何氣體透過的現象，檢測靈敏度達到105-106個原子/秒。
那麼，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？機理如何？有鑑於此，A. K. Geim教授團隊進一步通過實驗證實了無缺陷石墨烯的不可透過性，拓展了不可透過性的極限，並揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機理。
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驗裝置，研究表明，無缺陷的石墨烯對氣體確實具有不可透過性，其檢測精度比之前的實驗提高了8-9個數量級。
研究指出，雖然沒有直接的證據，但是作者能夠判別，在這樣超高的檢出限條件下，每小時只有幾個氦原子能夠透過。對幾乎所有其他氣體（氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，和氙氣），這一行為均表現一致，只有氫氣除外。
即使氫分子比氦大，應該經歷更高的能壘，但是氫卻表現出更加明顯的透過性。這一異常結果主要歸以為以下機理：
1）氫氣分子具有催化活性的石墨烯波紋處發生解離；
2）被吸附的氫原子以較低活化能翻轉到石墨烯片的另一側。研究指出，這一活化能大概1.0 eV左右，接近質子傳遞所需要的能量。
總之，這項研究從基礎的角度出發，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-x
3. 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物理中重要的作用，通過改變電子之間的相互作用強度調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現，實現了抑制電子之間相互作用。曼徹斯特大學A. K. Geim、M. Polini等通過原子層厚度的門柵極電介質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行測試，對這種相互作用進行定量描述。
當柵極電介質的厚度為幾個nm時會引起顯著的變化，這個距離低於典型的電子之間距離。通過理論計算結果對該過程進行計算，結果驗證了實驗中的結果。該結果有助於理解其他二維材料系統中的多體研究。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時發生明顯的抑制作用，這種近門區域能通過範德瓦爾斯作用的組裝體系實現。
M. Kim, et al. Control of electron-electron interaction in graphene by proximity screenings，Nat. Commun., 2020, 11，2339
DOI：10.1038/s41467-020-15829-1
4. ACS Nano：缺陷石墨烯中質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，但對質子卻具有高度可透過性。原子尺度的缺陷，如空位、晶界和StoneWales缺陷，有可能會增強石墨烯的質子透過性，甚至可能允許小離子通過，而氣體分子等較大的物種則會被阻擋。至今為止，這些理論預測仍未在實驗中得到驗證。有鑑於此，英國曼徹斯特大學A. K. Geim、Marcelo Lozada-Hidalgo團隊對此進行了研究。
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。質子和離子透過性得到大幅增強的原因，可能是因為八個碳原子環比石墨烯的六原子環對入射質子的能壘大約低兩倍，對鋰離子的能壘也相對較低。這項研究為無序石墨烯在基於鋰和氫能源技術中的應用，提供了新的借鑑
Eoin Griffin, et al. Proton and Li-Ion Permeation through Graphene with Eight-Atom-Ring Defects. ACS Nano, 2020.
DOI：10.1021/acsnano.0c02496
5. Nat. Commun.: 石墨烯超晶格中布朗-扎克費米子的長程彈道輸運
在量子化磁場中，石墨烯超晶格表現出複雜的分形光譜，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)微帶的量子化產生的，量子化在每個超晶格單元的磁通量量子的有理(p/q)分數處重複出現。有鑑於此，英國曼徹斯特大學A. K. Geim、A. I. Berdyugin團隊報導了石墨烯超晶格中布朗-扎克費米子的長程彈道輸運研究。
在氮化硼-石墨烯超晶格中，布朗-扎克費米子可以表現出高達106 cm2 V-1 s-1的遷移率和超過幾微米的平均自由程。所設計器件的出色性能能夠證明布朗-扎克微帶是4q倍簡併的，且所有簡併(自旋、谷和微谷)都可以通過低於1 K的交換相互作用來提升。作者還發現，對於相距幾微米的電探針，在1/q分數處存在負彎曲電阻。後續的實驗觀察突出了這樣一個事實，即布朗-扎克費米子是沿著直線軌跡，在高場中傳播的布洛赫準粒子，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/s41467-020-19604-0
6. 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現象中起著至關重要的作用，通過改變相互作用的強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放在金屬附近，這種方法會引起額外的屏蔽，從而抑制電子相互作用。在這裡，英國曼徹斯特大學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，並報告了與標準行為的定性偏差。屏蔽引起的變化僅在柵極電介質厚度為幾納米時才變得重要，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。該研究結果為將來在二維系統中實現多體現象的鄰近篩選提供了指導。
M. Kim, et al. Control of electron-electron interaction in graphene by proximity screening. Nature Communications, 2020, 11: 2339.
DOI：10.1038/s41467-020-15829-1
7. Nat. Commun.: 二維材料分散液的巨磁致雙折射效應及磁控變色
調整透射幹涉色，是科學家操縱光的長期追求。實現這一目標的方法包括材料手性、應變和電場控制。通過磁場進行顏色控制具有無接觸、無創和無能量的優點，但由於傳統透明介質中微弱的磁致雙折射，仍然難以實現。有鑑於此，清華-伯克利深圳學院劉碧錄、成會明團隊與英國曼徹斯特大學A. K. Geim團隊合作，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。
研究人員提出了一種基於寬帶隙磁性二維材料的雙折射液體的製備方法，所製備的摻鈷二維鈦氧化物晶體分散液呈現了巨磁致雙折射效應，其磁光克頓-穆頓係數達1400T-2m-1，高出傳統雙折射液體近兩個量級。研究人員從理論上闡釋了可調製透明幹涉色出現的光學基礎，在於雙折射液體對偏振光的相位差調製需達到3π以上。本研究中的二維晶體分散液因同時具有高透光率及巨磁致雙折射效應，故而在較低磁場下（<0.8t），實現了對偏振光的大相位調製（8π）。這項工作開闢了一條調諧透射顏色的新途徑，並可以進一步擴展到具有人工設計的磁性雙折射的其他系統。< span="">
Baofu Ding, et al. Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions. Nature Communications, 2020, 11: 3725.
DOI：10.1038/s41467-020-17589-4
2020年，除了以上成果之外，Andre Geim教授團隊還在二維原子晶體的其他多個方面有所突破，在次不一一摘錄。
重要理念
最後，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越勇，不斷前行！
「當有些人拿到諾貝爾獎後開始停止做科研，甚至停止做很多他該去做的事，並且其他方面的事物會纏繞著他很多年，這樣他更不能專心工作。但對於我來說，我會像往常一樣繼續我的研究，認真工作，享受研究。」
「在石墨烯之外，還有很多新的東西值得學習。如果你一直局限於一個點，肯恩會讓你的而思維固化，我不想這樣。」
「石墨烯大規模應用，可能還需要二三十年甚至更長的時間，基礎研究就是這樣，這是科學規律。」
Andre Geim教授簡介
Andre Geim，荷蘭和英國雙重國籍，物理學家。1958年出生於俄羅斯，現任英國曼徹斯特大學Regius教授和英國皇家學會研究教授。2007年當選為英國皇家學會院士，2012年當選為美國國家科學院外籍院士。2017年當選為中國科學院外籍院士，被荷蘭和英國女王授予爵位。在國際知名刊物上發表SCI論文300餘篇（其中在Science和Nature上發表論文30多篇），共計被SCI引用126,000多次，多次入選Thomson-Reuters世界高被引科學家前10位。#木木西裡#
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