薄如蝉翼 重于泰山——远超海底一万米压强超高压下的微观世界

李迪 科技日报记者 盛利

近日，国际学术期刊Nature Physics（《自然•物理》）在线刊发了电子科技大学夏娟研究员、王曾晖教授与合作者的研究成果“Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers”。该工作借助能产生百万大气压压强的金刚石对顶砧（DAC）技术，针对仅有蝉翼千分之一厚度的二维异质结材料开展极高压研究。

在研究中，科学家们巧妙地利用了二维异质结的结构特点，对仅有原子级厚度的纳米材料成功实现了高效压缩，并观察到了一系列新的物理现象。日前，科技日报记者联系到论文的两位作者夏娟研究员和王曾晖教授，为我们介绍了该工作是如何克服重重困难，最终成功观察到全新物理现象的。

金刚石对顶砧（DAC）调控二维异质结独特层间距及层间耦合作用示意图 电子科技大学供图

重于泰山：金刚石压砧技术能轻松实现百万大气压压强

金刚石对顶砧技术是什么？又是如何产生百万大气压的？

金刚石对顶砧装置的主要部分是两颗尖对着尖的钻石（金刚石压砧），以及包围住两颗金刚石尖顶（称为砧面）之间类似于一道紧箍的极小空间的垫片。

“当我们推动两个金刚石压砧相向而行时，金刚石尖顶之间的空间被急剧压缩，空间中除了样品，还充满了液体传压介质（例如硅油）。”夏娟解释说，由于垫片就像一道箍一样，紧紧地箍住了这些液体传压介质令其无处释放，样品所在空间的压强就会急剧上升，从而在样品上施加一个巨大的静水压，类似于潜入深海时受到不断增加的海水压强。

记者了解到，由于金刚石顶部砧面直径很小，通常只有1毫米的几分之一，差不多4~8根头发丝的直径，可以把底部平面受到的压力高效集聚，从而在金刚石的顶部达到很高的压强。而我们日常生活环境的压强是1个大气压，地心最大压强是360万个大气压，利用该装置可以轻松地实现百万大气压的高压环境。

那么百万大气压究竟有多大呢？人们常开玩笑说“压力山大”，我们以“重于泰山”的泰山为例来估计一下。泰山主峰1450米高，以岩石密度为水的三倍计，则被压在山底下需要承受来自山体的压强为400多个大气压。因此，“重于泰山”其实远远不足以形容DAC产生的压强。

自然界中，其实人类相对更有可能接触到的高压环境在深海。以世界最深的马里亚纳海沟区域为例，其最深处也是已知的海洋最深处，达11千米，即超过“海底一万米”。

夏娟告诉记者，海水中每增加10米的深度，压力增加1个大气压，那么“海底一万米”处的压强应该约为1千个大气压，这个压强足以将一辆坦克压扁。据了解，中国的“蛟龙号”载人潜水器，当前最大下潜深度仅为7062.68米，最大工作设计深度为8000米，不能承受“海底一万米”的压强。

“相比之下，这个能够将坦克压扁的1千个大气压，通过金刚石压砧实验装置能够轻轻松松地实现。因此，金刚石压砧在对微小样品施加超高压强方面，具有得天独厚的优势，是一项非常强大的实验手段。”夏娟说。

薄如蝉翼：利用原子级别厚度的新型材料在纳米尺度开展实验

二维材料是一类目前受到广泛关注的新型材料，其最显著的特点是其“薄如蝉翼”的厚度，可以薄到仅有原子级别，仍然能够保持优异的材料性能。那“原子级别”究竟是多薄呢？一般的蝉翼是几个微米的厚度（也就是头发丝的十分之一左右），而物理学家研究的二维材料一般是纳米级别的厚度，甚至不到蝉翼的千分之一。因此，“薄如蝉翼”其实远远不足以形容二维材料的薄。

那什么是二维异质结呢？“从结构上来说，可以理解为就是将不同的二维材料通过特定的方式堆垛起来，构成新的二维材料，类似于将两片（或多片）不同的‘蝉翼’贴在一起，形成一种新的‘复合蝉翼’。”王曾晖教授说。

在相关的研究领域中，二维异质结是一类非常具有潜力的新型材料结构。由于人们可以自主选择采用不同的二维材料、通过不同的堆垛方式来构成各类二维异质结，这就相当于可以人为地设计出几乎无限多种新型二维结构，而每种结构都可能具有不同的材料物理特性。因此，对科学家来说，各种二维材料就是极好的乐高积木块，把不同的二维材料堆叠在一起就是他们眼中最有趣的乐高作品，也是带给他们无穷研究乐趣的“新大陆”。

以泰山之重，压蝉翼之薄

那么，既然二维材料已经薄到原子级别的极限了，难道还能够进一步压缩其厚度吗？“可以的。”夏娟说，“这个研究，有点类似于把二维异质结这样的‘复合蝉翼’放到万吨水压机中间，利用重于泰山的极高压强来使两片蝉翼贴合得更为紧密，从而改变两层‘蝉翼’之间的相互作用，并观测这一过程对整张复合蝉翼性能的调控作用。只不过我们这个实验是在纳米尺度做的，‘蝉翼’的厚度也是在原子级别。”

研究团队在实验过程中证实，尽管二维异质结的厚度已经在原子级别了，但是由于其结构的特点，仍然能够通过DAC产生的压强将其在厚度方向进一步压缩。当样品所处环境压强增加到一万个大气压左右时，所研究的二维异质结与能带结构相关的物理特性发生了一些突变。这些现象可以被进一步应用在与高压传感相关的领域中，例如深地深海等极端环境下的压强传感器。

金刚石对顶砧（DAC）高压技术装置 电子科技大学供图

“开展基于新型敏感材料在高压下的物性研究，对于开发新型超高压传感器，推动我国深地深海探测技术进步，加快页岩气等现代能源战略产业发展，具有十分重要的科学意义和应用价值。”王曾晖说。在本工作及一系列相关研究成果的基础上，由夏娟研究员牵头，吉林大学、武汉大学、中北大学、西南石油大学等多家单位参与的一项国家重点研发计划项目“极高压二维异质结构传感器在深地环境下的机理和应用研究”即将立项，将针对本工作成果的潜在应用进一步开展系统、深入、全面的探索。“我们希望实验室中诞生的研究成果，在满足科学家们好奇心的同时，也能够最终服务于国家和社会经济的需求。”夏娟说。