摘要：近日，麻省理工学院（MIT）巨龙团队在对存在自旋轨道耦合的菱方堆叠三层石墨烯的研究中取得重要突破，首次发现了自旋轨道耦合效应对超导态同时存在增强和抑制效应。相关研究成果以“Impact of spin–orbit coupling on superconduc
北京大学物理学院2015级本科校友杨纪翔
在探寻量子世界的道路上持续深耕
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速递
近日，麻省理工学院（MIT）巨龙团队在对存在自旋轨道耦合的菱方堆叠三层石墨烯的研究中取得重要突破，首次发现了自旋轨道耦合效应对超导态同时存在增强和抑制效应。相关研究成果以“Impact of spin–orbit coupling on superconductivity in rhombohedral graphene”为题发表在Nature Materials上。杨纪翔是论文的第一作者。
（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02156-3）
∆杨纪翔在学术会议上展示研究成果
01
站在石墨烯研究的前沿
菱方堆叠的多层石墨烯（rhombohedral-stacking/ABC-stacking multilayer graphene，简称菱方石墨烯）是近年来备受关注的一个新的二维电子系统。菱方石墨烯独特的能带结构和贝里曲率同时增强了电子的强关联和拓扑效应，使其成为一个极佳的研究奇异量子现象的实验平台。
2023年，巨龙课题组在五层菱方石墨烯中观测到了分数量子反常霍尔效应（Fractional Quantum Anomalous Hall Effect），让人们再次看到了拓扑量子计算的曙光。但在这一系统中，本征的自旋轨道耦合效应是缺失的。在此前的研究中，人们观测到了双层石墨烯和扭角石墨烯中的超导态均会被引入的自旋轨道耦合效应增强。如何理解这一增强效应，以及它是否适用于菱方石墨烯中的超导态，目前学界尚无定论。
杨纪翔和团队成员通过将菱方三层石墨烯和薄层的过渡金属二硫属化物（transition metal dichalcogenides）堆叠在一起，利用近邻效应将过渡金属中很强的自旋轨道耦合效应引入菱方三层石墨烯中，并且在极低温（约40毫开尔文）下进行电输运测量。除了在本征菱方三层石墨烯中已经存在的“四分之一金属”和“半金属”，他们在电子填充的一侧观测到了一个新的对称性自发破缺相——“四分之三金属”。在其附近，原本非常微弱的第三超导相（SC3）得到了极大的增强。同时，在空穴填充的一侧，他们又观测到了一个被自旋轨道耦合诱发的新超导相（SC4），其临界温度约为230毫开尔文，并且它的平行临界磁场打破了泡利极限。这意味着SC4是一个特别的非常规超导相。但真正颠覆他们想象的，是原本最强的超导态SC1，在引入自旋轨道耦合后，居然“消失”了。
∆TMD接近抑制超导态 SC1
这说明在菱方石墨烯中自旋轨道耦合效应对超导相不仅有增强效应，同时也可以表现出强烈的抑制效应。在二维量子材料的迷宫中，这一发现，或许是打开新方向的一把钥匙，同时也对利用菱方石墨烯制造实用的超导和量子器件提供了重要的指导。
02
科研，不只是实验仪器和理论推演
在过去的几年里，杨纪翔所在的课题组在Nature，Science等期刊上发表了多篇重要的关于菱方石墨烯的研究工作。
做样品只是实验的起点，但也是一段漫长的路。除了菱方石墨烯本身，杨纪翔的这一课题还涉及到过渡金属二硫属化物，这种材料也是一种较为脆弱的二维材料。把本身就是“亚稳态”的菱方石墨烯和脆弱的过渡金属二硫属化物结合在一起，并组装成需要精密对齐的样品，是一件“难上加难”的任务。他一边坚持不懈地尝试并优化制作流程，一边利用初步的输运测量结果反过去改进实验方法，花费了半年多的时间稳定了工艺流程，并制作了数个不同结构的目标样品。
接下来的挑战，来自“温度”。在一开尔文以下的极低温环境中，样品的晶格会和电子系统逐渐解耦，使得电子并不能被有效地降温。这一效应对于石墨烯及其家族成员的影响更为严重：在未经改造的稀释制冷机中，即使晶格温度已达到0.01开尔文，其电子温度可能仍在1开尔文以上。因此，课题组对于商业化的稀释制冷机进行了一系列的改造和优化，加装了多级滤波器并增加额外的热平衡接触点，从而能够观测到更丰富的量子现象。
课题组自己的稀释制冷机并没有配备矢量磁体，也没有安装极低温下的旋转台，因此需要与合作实验室开展联合测量。从波士顿到达拉斯，杨纪翔一次又一次坐上周末的航班。降温、调试、测量、故障排查，留给他的往往只有短短数十小时。而在实验结束后，他又常常需要远程“遥控”操作，在毫无图像反馈的状况下进行错误诊断与技术指导。
他说 那是一段“充满挑战，但也非常独特的经历”。“从几乎不抱希望时意外看到第一个超导态的惊喜，到不断补充实验证据，再到论文初稿完成，我们前后经历了八个多月。”他回忆道。历时半年多完成投稿、修改和润色后，成果终于发表在了Nature Materials上。
∆杨纪翔作学术报告
值得一提的是，这并非杨纪翔首次在顶刊发表二维材料领域的重量级成果。2022年，他作为第一作者在Science上发表题为“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”的研究论文，首次直接探测到二维摩尔（moiré）材料中强电子关联的光谱学证据。杨纪翔和课题组的成员所设计的新实验技术 “傅里叶变换红外光电流谱”（Fourier-transform infrared photocurrent spectroscopy）为该领域提供了新的测量工具。
∆2022年发表于Science的论文
03
一直做那个“卷起袖子”的人
早在本科阶段，杨纪翔便展现出“卷起袖子”的科研风格。
“挽起袖子干‘脏’活，才能在科研的道路上有所突破。”杨纪翔这样总结自己的科研历程。
在北大读书期间，杨纪翔多次获得国家奖学金，连续三年入选“未名物理学子班”。大二时他进入林熙老师的课题组，独立搭建极低温下的原位热输运测量装置，研究砷化镓/铝镓砷体系中的分数量子霍尔态，并作为共同作者在国际期刊发表论文。此外，他还辅修了计算机科学专业，并在美国UCLA交换期间荣获杰出科研奖。离开北大时，杨纪翔被评为了北京市优秀毕业生。
△2018年杨纪翔（右）获得北京大学物理学院兴诚本科生论坛“最佳报告奖”
在北大，“不仅能学到各种专业知识，还能跨界物理以外的世界”。四年里，他遇到了一群良师益友：导师林熙是低温物理方面的专家，多次帮助他解决稀释制冷系统中的技术难题；一路并肩走来的学长学姐，也成了他科研道路上最可靠的同行者。
实验室之外，杨纪翔还是一位足球爱好者。作为球队的主力和领队，他每周至少要踢两次球。2018年，在他的带领下物理学院男子足球队冲进北大杯四强，取得了近十年来的最好成绩。从足球场上学到的团队合作与应变能力，在实验室里的科研奋战中也发挥了很大的作用。
∆杨纪翔（左二）在北大参加足球比赛
“科研，不只是理论和仪器的结合，更多时候，是解决问题的能力。”杨纪翔说。实际的科研和教科书上的案例不同，科学问题、工程问题、时间问题——几乎每个实验阶段都可能有很多无法用标准方案解决的棘手问题。没有现成答案时，他学会快速学习、反馈优化、从失败中找到下一步方向。
科研的道路上，或许只有他自己知道，每一个“峰值数据”的背后，都意味一次靠近世界本质的机会。
校友简介
杨纪翔，2015-2019年就读于北京大学物理学院并取得学士学位，期间多次获评国家奖学金并被评为北京市优秀毕业生。自2020年起，他前往美国麻省理工学院物理系攻读博士学位，目前也是麻省理工学院电子研究实验室（RLE）和集成量子材料联合中心（CIQM）的成员。他在Science，Nature，Nature Materials，Physical Review Letters，Nano Letters等刊物发表了多篇学术论文，总引用超过600次。他也是Physical Review Letters，Physical Review B等知名刊物的审稿人。
来源：全国党媒信息公共平台一点号