2022年，他作為第一作者在science發文
首次直接探測到二維材料中
強電子關聯的光譜證據
三年之後
二維材料研究再向前一步
北京大學物理學院2015級本科校友楊紀翔
在探尋量子世界的道路上持續深耕
近日，麻省理工學院（MIT）巨龍團隊在對存在自旋軌道耦合的菱方堆疊三層石墨烯的研究中取得重要突破，首次發現了自旋軌道耦合效應對超導態同時存在增強和抑制效應。相關研究成果以“Impact of spin–orbit coupling on superconductivity in rhombohedral graphene”為題發表在Nature Materials上。楊紀翔是論文的第一作者。
（論文連結：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02156-3）
∆楊紀翔在學術會議上展示研究成果
菱方堆疊的多層石墨烯（rhombohedral-stacking/ABC-stacking multilayer graphene，簡稱菱方石墨烯）是近年來備受關注的一個新的二維電子系統。菱方石墨烯獨特的能帶結構和貝里曲率同時增強了電子的強關聯和拓撲效應，使其成為一個極佳的研究奇異量子現象的實驗平臺。
2023年，巨龍課題組在五層菱方石墨烯中觀測到了分數量子反常霍爾效應（Fractional Quantum Anomalous Hall Effect），讓人們再次看到了拓撲量子計算的曙光。但在這一系統中，本徵的自旋軌道耦合效應是缺失的。在此前的研究中，人們觀測到了雙層石墨烯和扭角石墨烯中的超導態均會被引入的自旋軌道耦合效應增強。如何理解這一增強效應，以及它是否適用於菱方石墨烯中的超導態，目前學界尚無定論。
楊紀翔和團隊成員透過將菱方三層石墨烯和薄層的過渡金屬二硫屬化物（transition metal dichalcogenides）堆疊在一起，利用近鄰效應將過渡金屬中很強的自旋軌道耦合效應引入菱方三層石墨烯中，並且在極低溫（約40毫開爾文）下進行電輸運測量。除了在本徵菱方三層石墨烯中已經存在的“四分之一金屬”和“半金屬”，他們在電子填充的一側觀測到了一個新的對稱性自發破缺相——“四分之三金屬”。在其附近，原本非常微弱的第三超導相（SC3）得到了極大的增強。同時，在空穴填充的一側，他們又觀測到了一個被自旋軌道耦合誘發的新超導相（SC4），其臨界溫度約為230毫開爾文，並且它的平行臨界磁場打破了泡利極限。這意味著SC4是一個特別的非常規超導相。但真正顛覆他們想象的，是原本最強的超導態SC1，在引入自旋軌道耦合後，居然“消失”了。
∆TMD接近抑制超導態 SC1
這說明在菱方石墨烯中自旋軌道耦合效應對超導相不僅有增強效應，同時也可以表現出強烈的抑制效應。在二維量子材料的迷宮中，這一發現，或許是開啟新方向的一把鑰匙，同時也對利用菱方石墨烯製造實用的超導和量子器件提供了重要的指導。
在過去的幾年裡，楊紀翔所在的課題組在Nature，Science等期刊上發表了多篇重要的關於菱方石墨烯的研究工作。
做樣品只是實驗的起點，但也是一段漫長的路。除了菱方石墨烯本身，楊紀翔的這一課題還涉及到過渡金屬二硫屬化物，這種材料也是一種較為脆弱的二維材料。把本身就是“亞穩態”的菱方石墨烯和脆弱的過渡金屬二硫屬化物結合在一起，並組裝成需要精密對齊的樣品，是一件“難上加難”的任務。他一邊堅持不懈地嘗試並最佳化製作流程，一邊利用初步的輸運測量結果反過去改進實驗方法，花費了半年多的時間穩定了工藝流程，並製作了數個不同結構的目標樣品。
接下來的挑戰，來自“溫度”。在一開爾文以下的極低溫環境中，樣品的晶格會和電子系統逐漸解耦，使得電子並不能被有效地降溫。這一效應對於石墨烯及其家族成員的影響更為嚴重：在未經改造的稀釋製冷機中，即使晶格溫度已達到0.01開爾文，其電子溫度可能仍在1開爾文以上。因此，課題組對於商業化的稀釋製冷機進行了一系列的改造和最佳化，加裝了多級濾波器並增加額外的熱平衡接觸點，從而能夠觀測到更豐富的量子現象。
課題組自己的稀釋製冷機並沒有配備向量磁體，也沒有安裝極低溫下的旋轉臺，因此需要與合作實驗室開展聯合測量。從波士頓到達拉斯，楊紀翔一次又一次坐上週末的航班。降溫、除錯、測量、故障排查，留給他的往往只有短短數十小時。而在實驗結束後，他又常常需要遠端“遙控”操作，在毫無影像反饋的狀況下進行錯誤診斷與技術指導。
他說 那是一段“充滿挑戰，但也非常獨特的經歷”。“從幾乎不抱希望時意外看到第一個超導態的驚喜，到不斷補充實驗證據，再到論文初稿完成，我們前後經歷了八個多月。”他回憶道。歷時半年多完成投稿、修改和潤色後，成果終於發表在了Nature Materials上。
∆楊紀翔作學術報告
值得一提的是，這並非楊紀翔首次在頂刊發表二維材料領域的重量級成果。2022年，他作為第一作者在Science上發表題為“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”的研究論文，首次直接探測到二維摩爾（moiré）材料中強電子關聯的光譜學證據。楊紀翔和課題組的成員所設計的新實驗技術 “傅立葉變換紅外光電流譜”（Fourier-transform infrared photocurrent spectroscopy）為該領域提供了新的測量工具。
∆2022年發表於Science的論文
早在本科階段，楊紀翔便展現出“捲起袖子”的科研風格。
“挽起袖子幹‘髒’活，才能在科研的道路上有所突破。”楊紀翔這樣總結自己的科研歷程。
在北大讀書期間，楊紀翔多次獲得國家獎學金，連續三年入選“未名物理學子班”。大二時他進入林熙老師的課題組，獨立搭建極低溫下的原位熱輸運測量裝置，研究砷化鎵/鋁鎵砷體系中的分數量子霍爾態，並作為共同作者在國際期刊發表論文。此外，他還輔修了計算機科學專業，並在美國UCLA交換期間榮獲傑出科研獎。離開北大時，楊紀翔被評為了北京市優秀畢業生。
△2018年楊紀翔（右）獲得北京大學物理學院興誠本科生論壇“最佳報告獎”
在北大，“不僅能學到各種專業知識，還能跨界物理以外的世界”。四年裡，他遇到了一群良師益友：導師林熙是低溫物理方面的專家，多次幫助他解決稀釋製冷系統中的技術難題；一路並肩走來的學長學姐，也成了他科研道路上最可靠的同行者。
實驗室之外，楊紀翔還是一位足球愛好者。作為球隊的主力和領隊，他每週至少要踢兩次球。2018年，在他的帶領下物理學院男子足球隊衝進北大杯四強，取得了近十年來的最好成績。從足球場上學到的團隊合作與應變能力，在實驗室裡的科研奮戰中也發揮了很大的作用。
∆楊紀翔（左二）在北大參加足球比賽
“科研，不只是理論和儀器的結合，更多時候，是解決問題的能力。”楊紀翔說。實際的科研和教科書上的案例不同，科學問題、工程問題、時間問題——幾乎每個實驗階段都可能有很多無法用標準方案解決的棘手問題。沒有現成答案時，他學會快速學習、反饋最佳化、從失敗中找到下一步方向。
科研的道路上，或許只有他自己知道，每一個“峰值資料”的背後，都意味一次靠近世界本質的機會。
楊紀翔，2015-2019年就讀於北京大學物理學院並取得學士學位，期間多次獲評國家獎學金並被評為北京市優秀畢業生。自2020年起，他前往美國麻省理工學院物理系攻讀博士學位，目前也是麻省理工學院電子研究實驗室（RLE）和整合量子材料聯合中心（CIQM）的成員。他在Science，Nature，Nature Materials，Physical Review Letters，Nano Letters等刊物發表了多篇學術論文，總引用超過600次。他也是Physical Review Letters，Physical Review B等知名刊物的審稿人。
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編輯 | 邱放
圖片 | 校友本人提供
支援 | 北京大學校友會物理學院分會
責編 | 張張
稽核 | 李存峰