不到半个月，连发Nature及大子刊！清华大学95后校友韩同航的不凡人生！

铅笔芯会变成黄金？ 美国麻省理工学院 巨龙助理教授 团队以及博士生 韩同航 认为， 能，只要找到石墨中的“不一样”的地方。

上面说的“铅笔芯”指的就是我们日常所见所用的办公用品。在物理学家眼里，这可不是简单用来写字的，而是用来探究科学奥秘的。在大多数眼里这听起来似乎不可能，因为铅笔芯不可能会变成了“金子”。

但是，在他们眼里，一切皆有可能。在物理学家眼里，铅笔芯不仅仅是一只黑色的简单耗材，而是 一种有望在电子领域和凝聚态物理领域开辟一个新概念的 “黄金”材料。

铅笔芯由石墨组成，石墨是一种层状结构的碳材料，其中原子以六角形的环形结构排列成平行片。这些碳层间以弱的范德瓦尔斯力相互吸引，使得碳层成为很好的涂层材料。而石墨又由石墨烯组成，石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶格结构，是由单层碳原子排列成类似蜂巢结构的六边形。而石墨烯自 20 年前首次被分离出来以来，一直是人们研究的焦点。

为了在这个焦点的领域内寻找别样的新发现，巨龙团队青年科学家韩同航出现在了石墨烯领域的正确途径上，在加上他锲而不舍，热爱科学的精神，突破了石墨烯领域现有的理论和机制。

世界上第一个看到石墨烯新现象的人

韩同航赴美国麻省理工学院攻读物理学博士（全额奖学金）期间，结合课题组通过对石墨烯研究十余年的经验， 首次揭示了菱方堆叠的五层石墨烯中一种全新的铁性—铁谷性。

这与电子的轨道运动密切相关。他们在五层石墨烯中，通过电子间的相互作用，找到跟自己电子序态相关的调节因子，电子选择全部进入同一个能谷，这种电子分布的选择性是一种新的铁性。

近日，相关论文以《Orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene》为题发表在  Nature 上。论文通讯作者是巨龙助理教授，第一作者正是韩同航。

具体来说，现如今的电子器件极大提高了人们的社会生活和质量，但是传统期间的缺点在于高能耗和高成本，一旦使用就很容易导致寿命缩短。而石墨烯类的器件却不存在这种问题，原因在于不同方向的电子传输之间的耦合极很容易受到控制。

同时，铁谷性不同于传统铁磁材料中电子自旋导致的磁性，即便材料会产生一定缺陷，但也很难导致电子的损耗。 这意味着信号传输的稳定性能被极大提高，有望实现低能耗和高效的信息处理。

由此可见，该研究不仅展示了这两种铁性均可以被电场方便地调控，而且未来可被用于制作更高效且低能耗的电子器件。

韩同航 自由开放，探究未知的态度 ，也是本次论文顺利发在 Nature 的原因之一。 好比在清华大学2020届毕业典礼上，充满深刻思考和感慨的演讲，充分讲述了自由、勇敢和传承这三个关键词对自己的大学生活和未来的重要性。

高性能电子器件的新方案

集成器件已被认为国内近年来发展的首选研发材料。电子器件是通过调整和制备不同原料之间的配比和微观形貌来优化性能，改变了人类社会交通的格局。该领域经过一定的发展，使得基于石墨烯器件成为电子器件领域的热点。

但问题在于，目前二维材料的器件经受限于微观形貌。那么，是否有可能通过力学手段，控制电场让其中的电子结构发生变化，实现器件的功能增强呢？

近年来，在相邻二维材料之间引入莫尔超晶格导致了丰富的关联和拓扑电子现象，包括莫特绝缘体、超导性和（量子）反常霍尔效应。但是，这些研究通常依赖于材料和转角的特定组合，通过一些复杂的工程来实现所需的现象。

基于此，韩同航在原先的发现基础上，提出了这样想法， 人们是否可以在没有莫尔效应的情况下在晶体二维材料中实现电子关联和拓扑结构。

既然，电场可以调节先前发现的菱形堆垛的多层石墨烯在在零能量下接触的平带，从而改变产生关联的电子现象，那么，当电子关联破坏同位旋对称性时，在零能量处谷依赖的Berry相很可能会产生拓扑上的非平凡态。

因此，为了获得保护制备的菱方堆叠的五层石墨烯，他们研究小组将电极连接到由氮化硼“面包”组成，类似三明治的夹层上，通过电极，他们可以用不同的电压或电量来调节系统。

有趣的是，他们发现，根据充入系统的电子数量，会出现三种不同的现象。也就是说，这种材料可以是绝缘的，也可以是磁性的，还可以是拓扑的。

为了解释这个物理现象，巨龙教授打比方的说， 拓扑材料允许电子在材料边缘畅通无阻地运动，但不能穿过中间。电子沿着材料边缘的 "高速公路 "单向运动，中间则是材料的中心。因此，拓扑材料的边缘是完美的导体，而中心则是绝缘体。

而这些拓扑结构所导致的能量传输，会大大降低电子的损耗。 为此，他们对石墨烯层的位置进行调节，并使用类似三明治结构，终于得到了想要的结果，真正做到从实验上提高了器件的稳定传输特性。在这其中，韩同航博士贡献了不少技术手段。

相关论文以“ Correlated insulator and Chern insulators in pentalayer rhombohedral-stacked graphene ”为题，发表在 Nature Nanotechnology，团队成员博士生 韩同航 、博士后 路正光 为论文共同第一作者， 巨龙教授 为论文通讯作者。两篇论文发表间隔不到半个月！

平凡追梦学子的不凡人生

收获重要科研成果的背后与韩同航的成长经历密不可分。韩同航可以说是天选之子，他有着丰富的初高中生活，比如，高中期间他曾担任校学生会主席和创新班班长，积累了丰富的组织和领导经验；他获得了多项国家级和省级奖项，包括全国创新英语大赛一等奖、全国中学生物理竞赛一等奖等。此外，他还出版了两本个人文集《笔墨年华》。

在大学阶段，韩同航继续保持杰出的表现，就读于国内著名的清华大学，并在物理学领域荣获了“叶企孙奖”，这是清华大学本科生最高荣誉之一。他还荣获了学业优秀奖、社会工作优秀奖、综合优秀奖、清华大学优秀毕业生和北京市优秀毕业生等多项荣誉。

但当他进入大学后，他发现自己面临了一些挑战。他试图在大学里继续用相同的方法，但发现情况并不像中学时那样顺利。他遇到了困难，尝试了一些科研项目，但没有取得很好的进展。他的一些课程成绩也不如他所期望的那样出色。这让他感到困惑和挫折。

然而，韩同航没有放弃。在一次寒假的机会下，他参加了一次巴西实践之行，飞越了整个非洲大陆，降落在地球另一端的大陆。这次经历让他对世界的广大和多样性有了更深刻的理解， 他明白了生活不应该被局限在狭隘的轨道中。

不负韶华，韩同航后来不仅赴美国麻省理工学院攻读物理学博士学位，而且获得了全额奖学金支持。这一决定标志着他将进一步深入物理学领域，为探寻科学奥秘和推动知识的边界做出杰出贡献。

在这样的背景下，韩同航也攒着一股劲想在科研上有所建树，毫无疑问，他跟随巨龙教授，长期关注石墨烯等二维材料体系中的强关联与拓扑效应，近年来在菱方堆叠多层石墨烯系统中有一系列进展。

正如韩同航做的演讲一样，面对着风起云涌的时代，我们不自觉会问自己是否已经做好准备。科学研究需要的远不止知识和技能，更是自由的思想，开放的胸怀，是面对纷繁潮流时追随内心的勇敢。

“自由，勇敢，传承”是韩同航演讲中三个故事的主题，正如这三个故事所说，他的经历启发年轻一代能够肩负起师长们传递到我们手中的使命，为国家和世界做出我们的贡献。

韩同航的追求科研的路途，站在石墨烯领域的顶端，以及科研的丰硕成果，无不验证了一位平凡追梦人的不凡人生。