石墨烯教父：從千年博后到物理諾獎的心路歷程（上）

【編者按】 本文作者為諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·海姆，譯者為科學網博主薛加民老師。如你也是學術圈內人士，或者對科學領域有專研興趣，可進入知社學術圈公號查看。

【引言】石墨烯是最堅硬并極具彈性的材料，其發現者安德烈·海姆 (Andre Geim) 也擁有同樣的屬性。臥薪嘗膽十幾年，腦洞大開萬千遍，正是其非同尋常的科研風格為我們帶來了可顛覆全球科技產業的一把鑰匙。這個曾以“飛翔的青蛙”榮獲搞笑諾貝爾獎的物理學家怎樣看待自己的研究生涯呢？請看石墨烯之父在獲得諾貝爾物理學獎后，親口講述他自己的故事。

注：以下為安德烈·海姆的自述

如果現在有人想要了解石墨烯的美麗的物理內涵，他們可以從許多相關的學術綜述，還有大眾科學雜志上的文章中選擇。在此我向讀者推薦自己寫的幾篇相關的文章[1-3]，希望大家能原諒我的“自賣自夸”。為了不重復這些文章的內容，在這次演講里，我決定給大家講一講我自己曲折的科研道路，以及這條路最終是如何通向諾貝爾獎的。這其中大部分的內容我從未在別的地方講述過。當然，各位可以放心，我不會從我的幼兒園時代開始講起。我將向您講述我從1987年獲得博士學位之后，直到2004年為我們贏得諾貝爾獎的文章被雜志接受這段時間內的故事。無疑，越接近尾聲這個故事會變得越豐富。反觀歷史，我還會詳細地描述2004年之前與石墨烯有關的研究工作，以及分析石墨烯為什么會引起這么多人的興趣。我會努力讓非物理專業的讀者也覺得接下來的內容易懂而且有意義。

不要做已死的研究

我的博士論文題目叫做“Investigation of mechanisms of transportrelaxation in metals by a helicon resonance method”。我只能說它是一個非常無趣的研究。在蘇聯的Instituteof Solid State Physics，我花了五年時間，發表了五篇論文來完成這個學位。學術網站Web of Science很嚴肅地告訴我，我的這些文章被引用過兩次，而且都是作者自己在引用。其實，在我的博士生歲月開始前十多年，這個研究方向就已經沒落了。即使如此，我還是從中學到了一些讓我受益終身的東西，那就是絕對不要讓你的學生研究那些已經死了很久的課題方向。

博士畢業以后，我在俄羅斯科學院下屬的Institue of Micro-electronics Technology找到了一份臨時工作，做一名普通的研究員。蘇聯當時的研究系統允許甚至鼓勵年輕的研究人員獨立開展研究工作。經過一年的摸索，嘗試不同的方向，我終于開始找到了合適自己的研究道路，從而與我的博士導師在學術上脫離了關系。

以當時蘇聯極其困難的實驗條件，我找到了一個可行而且新穎的實驗方向，雖然這聽起來是不太可能的事情。我用微細加工的裝置制備了金屬膜，在它上面沉積了一層薄薄的絕緣體，然后再沉積一層高溫超導體。超導體的作用是通過邁斯納效應把外加磁場約束到一個個渦旋里，對下面的金屬膜產生高度不均勻的磁場分布。金屬膜中的電子在這種空間上快速變化的磁場中（磁場在小于一個微米的范圍內就會發生很大的變化）的運動在當時是一個新的研究領域，我發表了這個領域中的第一篇實驗論文，之后Simon Bending也獨立地發表了類似的研究。這是一個有趣而且還比較重要的課題，在接下來的幾年里我都在研究這個方向，包括1991年我在Simon實驗室做博士后的階段。

這段經歷給了我一個很重要的體會，那就是創立一個新的研究方向總是比在一個已經僧多粥少的領域里尋找新的突破要容易取得成果。當一個全新的領域剛剛開始的時候，成功的幾率會大得多。當然，很多關于這個新領域的美好預期可能最終無法實現，但是在新的領域里做研究，總會有意想不到的現象產生。

別人的垃圾，我的金子

1990年，在我所在的研究所所長Vitaly Aristov的幫助下，我得到了英國皇家學會一段為期6個月的訪問機會。英國諾丁漢大學的Laurence Evaes和Peter Main邀請我訪問他們的實驗室。對于實驗工作而言，6個月是非常短暫的。受這個條件所限，我只能研究這些實驗室當時已有的一些樣品。先前的實驗人員留下了一些砷化鎵微米線，它們已經被廢棄在實驗室的角落里好幾年了。由于我曾經在資源稀缺的蘇聯學術界工作過，我能夠在相對惡劣的環境中開辟出一條道路來。這些被別人視作毫無用處的樣品成了我的金礦。我開始了每周100個小時的工作來研究它們。在這短短的6個月里，我做出了兩個后來發表在Physical Review Letters上的工作。后來我常常用這段經歷跟年輕的學生們開玩笑。當實驗不像預期的那樣進展順利，他們開始抱怨樣品不好導致發現不了新東西的時候，我就會跟他們說，“根本沒有差的樣品，只有差的學生/博士后”。仔細研究你總會發現一些新東西。當然最好還是投身新的研究領域，避免研究那些別人已經深入研究過的樣品。但是，即使我們足夠幸運，找到了一個像石墨烯一樣激動人心的研究領域，謹慎研究和堅持不懈的精神會讓人走得更遠。

在諾丁漢的研究是如此的高強度和激動人心，我決定不回俄羅斯了。在蘇聯混亂的社會中求生對我來說無異于浪費生命。于是，在我33歲，學術h因子等于1的時候，我開始在歐洲尋找博士后的職位。接下來的四年我在不同的大學之間輾轉，從英國的諾丁漢，到丹麥的哥本哈根，再到英國的巴斯，最后回到諾丁漢。每一份新的工作都教會我一兩個新的研究領域，這段經歷極大地擴展了我的科學視野。在那些年，我的主要研究方向是介觀物理，包括二維電子氣體，量子點接觸，共振隧穿，量子霍爾效應等等等等。我也熟悉了用分子束外延生長砷鋁化鎵異質結，提高了我在俄羅斯就開始學習的微細加工和電子束刻蝕的技術。所有的這些積累成為了十多年后石墨烯研究的堅實基礎。

“溫馨”的荷蘭生活

到1994年時，我已經發表了足夠多的優質的文章，參加了足夠多的學術會議。我希望能夠找到一個正式的學術工作。當我得到荷蘭的University of Nijmegen的一個副教授的職位時，我毫不猶豫地抓住了這個機會，結束了我“后蘇聯時代”各地流浪生活。到了Nijmegen的第一個任務無疑是樹立起自己的學術地位。但是當時我沒有任何的啟動經費，也沒有微細加工的設備來繼續我以前的研究工作。我擁有的是Nijmegen強磁場實驗室里的強磁場裝置，低溫以及電子設備。當時強磁場實驗室的主任是Jan Kees Maan。他也是我的“老板”，掌管了所有的實驗經費。

雖然當時我作為獨立研究員拿到了研究經費，但是我不能隨我的心愿來支配這些錢。錢都是通過由正教授領導的所謂“工作組”來分配的。另外，荷蘭的博士研究生只能由正教授指導，副教授只能靠自己單打獨斗。雖然這聽起來有些怪誕，但是這就是90年代荷蘭的研究體制。這樣的研究條件對我來說非常艱難。開始的一兩年，我掙扎著適應這種系統，它與我在諾丁漢所經歷的愉快而富有成效的研究歲月形成巨大的反差。而且令人奇怪的是，只是在大學里有如此森嚴的等級制度，走出大學圍墻，每個人對我都很好，包括強磁場實驗室的主任Jan Kees和其他研究人員。

即便如此，在Nijmegen的研究機會還是要比在俄羅斯好得多。最終依靠我的海外合作者的幫助，我還是在荷蘭的學術圈里立住了腳。諾丁漢的同事們（尤其是Mohamed Henini）生長了二維電子氣體的晶體，之后它們被送到俄羅斯，我從80年代就開始的同事和好友Sergey Dubono把它們微細加工成我需要的器件。我當時的研究課題可以被稱作“介觀超導”。Sergey和我用二維電子氣體加工出微米尺寸的霍爾器件，然后用它來探測很小的超導體周圍的局部磁場。這種方法不僅可以測量到單個磁場渦旋進入和離開超導體，還能測量許多其他非常微弱的變化。

依靠彈道輸運下的霍爾微磁測量技術，我們發展了這種新的實驗方向。在接下來的幾年里，我們在這個領域充分地展開研究，最終在Nature，Physical Review Letters等刊物上發表關于順磁邁斯納效應，具有分數個磁通量子的渦旋，在約束空間中的磁場渦旋分布等等的研究結果。

我的妻子Irina Grigorieva是磁場渦旋方面的專家。她在荷蘭找不到工作，所以她有足夠多的時間來幫助我的研究和撰寫論文。而Sergey不僅僅幫我加工器件，同時也常常來到Nijmegen來幫我實驗測量。我們形成了一種非常高效的合作模式，他負責采集數據，我則在旁邊房間里的電腦上分析數據，決定實驗的下一步。

磁懸浮的魅力

關于介觀超導研究的第一個結果大概在1996年的時候開始成形，這讓我在荷蘭的研究系統里找到了一絲安全感，同時我也開始擴展我的研究方向。我廣泛地調研，試圖找到新的研究方向。在Nijmegen最主要的實驗優勢是強大的電磁鐵，但是同時它們也是讓我頭痛的地方。雖然這些磁鐵能夠產生20特斯拉的磁場，比我們的很多競爭者所擁有的超導磁場要稍微強一點（那些超導磁場大約為16到18特斯拉），但是這些龐然大物運轉起來極其費電，我們只能每天晚上當電價便宜的時候用幾個小時。

我當時在介觀超導方面的研究僅僅需要非常微弱的磁場（小于0.01特斯拉），所以我用不到這些電磁鐵。這讓我這個強磁場實驗室的研究員感到一些愧疚，我感到有責任找到一些可以利用到這些強大的電磁鐵的研究課題來。我意識到相比其他的超導磁鐵，這些電磁鐵的唯一明顯優勢就是它可以在室溫下工作，不需要像其他超導磁鐵一樣冷卻到液氦的溫度。然而，這在一般人看來并不是什么優勢，因為大部分的凝聚態實驗都需要極低溫的環境。這使得我和同事們開始思考什么強磁場下的現象可以在室溫里研究。不幸的是，我們似乎根本沒有什么選擇。

終于，我無意中了解到了一個所謂“磁化水”的現象。

據稱，把一塊永久磁鐵放在熱水龍頭上可以防止水垢在水管里的形成。或者把一塊磁鐵放在水龍頭上，你的水壺里將不會形成一層厚厚的沉積物。這些磁鐵隨處可見，很容易買到。網絡上有數以百計的文章介紹這種現象，但是其背后的物理原理卻不明了，甚至還有很多研究人員根本不相信這種現象的存在。在過去的15年里，我曾嘗試過幾次要研究這種“磁化水”現象，都無果而終，我至今也不能給出一個解釋。但是，當時實驗室里室溫下的強磁場讓我橫向聯想到了磁化水的實驗。我想，如果磁化水效應真的存在，那么20特斯拉的強磁場應該產生比0.1特斯拉的普通永久磁鐵明顯得多的效應。

有了這個想法，在某一個星期五的晚上，我把一點水倒進了我們實驗室正在產生巨大磁場的儀器里。往實驗儀器里潑水很顯然不是一個正規的實驗操作，現在我也記不起來當時我為什么會干出如此“不專業”的事情來。很顯然，沒有人曾經嘗試過做這樣傻的事情，雖然這種類似的儀器在世界上幾個實驗室里已經存在了幾十年了。讓我極為驚訝的是，水并沒有從強磁鐵中流出來，而是滯留在了磁鐵的中心。來自諾丁漢的訪問學生Humberto Carmona和我玩了一個多小時，我們用一根木棍攪動滯留在磁鐵中心的水，并改變磁場的強度，最終，我們看到了如圖1所示的驚人現象，一個水球懸浮在了空中！

這太神奇了！我們很快意識到這個現象背后的物理是我們熟悉的逆磁性。但是我花了很長時間才讓我相信水的這么微弱的逆磁效應（在外加磁場強度為B的時候，水能產生0.00001*B的磁場來抵抗它），比鐵的磁性要弱十億倍，居然可以抵抗水的重力。我的許多同事，包括那些一輩子與強磁場打交道的研究員，看到這個現象時都目瞪口呆，甚至還有一些人認為這是一個惡作劇。

接下來的幾個月，我都在給我的同事們和訪問者演示這個實驗，同時設法為這個美麗的現象找到一個更為吸引普通大眾的演示方式。在我們嘗試過懸浮的眾多物體中，圖1的懸浮青蛙引起了媒體的廣泛關注。更重要的是，在熱鬧的媒體報道背后，這張圖片甚至進入了許多物理教科書。雖然它有些怪誕，但是這個實驗讓人們重新審視逆磁效應，我們不再認為它是一種微不足道的性質了。有時候我出去參加學術會議的時候，會有人攔住我說：“我認識你！不過抱歉不是因為石墨烯，而是因為我在物理課上展示過你的懸浮青蛙。學生們總是很好奇這只青蛙為什么能飛翔?！庇嘘P這只青蛙的故事，以及有關逆磁懸浮的穩定性的深邃物理學，大家可以參考我在PhysicsToday上寫的一篇文章[11]。

圖1：在Nijmegen的懸浮時刻。左圖——直徑大約5厘米的水球自由地懸浮在磁鐵中心。右圖——學會了飛翔的青蛙。這張圖片象征著“非磁性”物質，包括人，的磁性并非可以忽略的。這個實驗為著名理論物理學家Michael Berry和我贏得了2001年的搞笑諾貝爾獎。起初，頒獎方詢問我們是否有膽量來接受這個獎，我們答應了。我為我們的幽默感和自嘲的勇氣而感到驕傲。

星期五晚的實驗

磁懸浮的實驗是如此的有趣，甚至讓人上了癮。它給我上了重要的一課，那就是嘗試那些和我的專業領域八竿子打不著的研究方向有可能會產生非常有趣的結果，即使最初的想法可能是極其簡單的。這段經歷影響了我的研究風格。從那以后，我開始做一些不合常規的實驗嘗試，并且無端地稱它們為“星期五晚的實驗”。當然這個名字并不準確，因為沒有什么深入的研究工作可以在一個晚上完成。

實際上，它需要好幾個月的橫向思考，毫無明確目的地查閱不相關的文獻。最終，你會找到一種感覺——注意是感覺而不是想法——你會感覺到什么問題研究一下可能會很有趣。接著，你開始嘗試實驗。通常的結果是失敗。然后你有可能繼續試一試或者放棄。不管怎樣，在某個時刻你都必須做出一個艱難的決定，究竟是繼續投入精力，還是放棄嘗試，開始研究別的問題。所有的這些都是在你的主要研究活動之余進行的，它們只需要占用你的一點點時間和一點點思考。

從我在Nijmegen工作的時候開始，我就用這種橫向思考來設計本科生和研究生的課題了。學生們對于這種研究方式總是感到很興奮。1999年到Nijmegen來讀博士學位的Kostya Novoselov（譯者注：Novoselov與Geim分享了2010年諾貝爾獎）參與了很多這樣的實驗。為了不影響學生們的正常學習和畢業，這些研究通常耗時不會超過幾個月。雖然隨著每一次的失敗漸成事實，起初的熱情都會慢慢消退，但是有一些學生后來告訴我說這些廣泛探索的研究經歷是他們人生中的無價之寶。

最令人驚奇的是，有的時候失敗并未如期而至。壁虎膠帶（Gecko tape）就是這樣的一個例子。一個偶然的機會，我讀到一篇文章描述了壁虎超強的攀爬能力背后的原理[12]。

其中的物理是很簡單的。壁虎的腳趾上覆蓋著許多微細的絨毛，每一根絨毛能夠和它要攀爬的表面產生微弱的范德瓦爾斯力（10的負九次方牛頓量級），但是億萬根這樣的絨毛就足以產生巨大的吸引力，從而可以使得壁虎爬上任何物體表面，甚至玻璃的天花板。尤其引起我注意的是這種絨毛的尺寸，它們在微米量級，這正是我所研究的介觀物理所在的尺度范圍。

當這個現象在我的腦海里時隱時現了一年多之后，Segey Dubonos和我設計出了一種能夠模擬壁虎腳趾上絨毛的材料。Segey加工出了大概一平方厘米大小的這種材料，它表現出了比較明顯的黏附力[13]。不幸的是，這種人造的材料比不上壁虎的腳趾，經過幾次粘貼和分離之后，它的黏附力就完全消失了。但是，這仍不失為一個重要的驗證性實驗，它啟發了其他人在這個領域中的深入研究。我們希望某一天人們能夠復制出像壁虎腳趾那樣的結構和具有自我清潔功能的膠帶。這樣這項研究就可以轉化成產品了。

Better to be wrong than boring

在我準備這個演講的時候，我總結了一個我們曾經嘗試過的“星期五晚實驗”的列表。直到那個時候我才意識到一個令人驚訝的事實。在大約15年的時間里我們一共做了二三十個這樣的實驗，可以想見，大部分的都徹底失敗了。但是有三個成功者：磁懸浮，壁虎膠帶以及石墨烯。這意味著一個極高的成功率：超過了10%！除此之外，還有幾次與成功擦肩而過。

比如，我曾讀到一篇文章[14]關于FeGeSeAs合金中的巨逆磁效應，這意味著這種材料可能會出現高溫超導狀態。我找同事Lamarches要了這種樣品，Kostya Novesolov 和我用彈道輸運霍爾磁測量技術來檢驗這種巨逆磁效應，但是失敗了。即使冷卻到1K也沒有發現這種巨逆磁效應。這次嘗試發生在2003年，遠早于后來引發巨大關注的鐵基超導體的發現。至今我還在尋思當時我們的樣品中是否有很小的一部分轉變成了超導體，只不過被我們忽略了。

另外一次這樣的錯失良機是我們試圖測量單個活體細胞的“心跳”。實驗的想法是用二維電子氣體的霍爾器件來作為高精度的電壓計，用以測量活體細胞中的生物電信號。我們實驗的結果是，當細胞活著的時候我們的裝置測量不到任何“心跳”，但是當我們用大量酒精導致細胞凋亡的時候，我們可以觀察到巨大的電壓脈沖[15]?，F在我明白了當時之所以探測不到活體細胞的心跳是因為我們選錯了細胞。我們選的是酵母菌，這是一種比較木納的細胞。在我們的實驗之后過了四年，其他的研究組選用胚胎心臟細胞在石墨烯上取得了成功[16]。

老實說，我并不認為如此高的成功率是因為我特別擅長于的橫向思考。更確切地說是，它告訴我們——

試探（有的時候甚至是漫無目標的試探）新的研究方向比一般人預期的回報率要高。

我們很有可能在某一個已有的礦藏里挖掘得太深了，留下了大量未被探尋過的寶藏就埋藏在淺淺的地表下，只要稍微往旁邊一試探我們就會發現它。當一個人有嘗試的勇氣時，雖然并不是一定總是有所回報，但是至少這是一次探險的經歷。

編者注：世界上聰明的人那么多，很有可能某人在某地就曾經有過和你的類似的想法。安德烈·海姆在下篇將講述他在曼徹斯特的生活，以及那之后開出的三朵美妙的思想云，這些都對他的諾獎之路產生巨大影響。雷鋒網將推出下篇文章：《石墨烯教父：從千年博后到物理諾獎的心路歷程（下）》。

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