3月2日，全球顶级科研期刊《Nature》杂志发表了题为“High-density Switchable Skyrmion-like Polar Nanodomains Integrated on Silicon”的论文。该项工作由南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组、吴迪教授课题组与美国加州大学尔湾分校的潘晓晴教授课题组等国际团队密切合作完成。

电拓扑纳米畴——作为潜在的下一代存储器件的基本单元，是近年来凝聚态物理学领域研究的热点之一，但是其能否与硅基底结合依然没有很好的解决办法。在已发表的这篇成果中，这项重大难题，被南京大学现代工程与应用科学学院的老师和同学通过拼“乐高积木”的方式解决了！作为“乐高建筑师”，他们用一个个原子作为乐高积木，用了六年构造“乐高城堡”，实现了这一基本单元并与硅基片成功集成。审稿专家之一评价，该项研究成果“展示了将极性拓扑结构应用于新型存储器件方面非常乐观的前景”。那从设计城堡，根据说明书一块块拼搭，究竟是怎样的一番DIY经历呢？让我们来听听论文第一作者南京大学现代工程与应用科学学院博士生韩露怎么说。

该技术究竟有什么奥秘呢？

“我们用氧化物分子束外延的技术来进行薄膜的制备。就像搭乐高积木一样，只不过这里的积木就是一个一个的原子，因此这项技术也被称为原子喷涂术。运用这项技术，实现氧化物薄膜与界面原子层精度的控制，可以制备一系列高质量、单胞精度可控的自支撑钙钛矿氧化物薄膜。根据自己的思路还能设计出很多自然界没有的材料，如一些人工结构、超晶格等。用这样的方式就可以堆出薄膜，自由地得到我们想要的材料结构了。”

“大部分二维材料，例如石墨烯，是通过使用透明胶带对天然石墨进行层层剥离的机械剥离法获得，可以说是一种化整为零，“由上到下”的方法。对比我们的分子束外延技术，我们是一个一个原子堆砌起来，是一个合零为整，“自下而上”的方法。这样的过程可以帮助我们实现新型的二维材料，更好地研究材料在极薄状态下的特殊性质，包括宏观状态下不太会出现的量子性质等。任何在我们肉眼观测的大块不可分的物质在极薄极小的微观下就会拥有一些非常有趣，并且有很大应用价值的性质，这个也是我们目前在寻找、观测和追求的。”

“乐高建筑师”怎样一步一步完成作品？

对于每个热爱积木的人来说，人人都是乐高建筑师。从阅读说明书到每一步积木拼搭的过程，我们从小就在玩这种游戏的过程中拥有了对于整合一个个分离的个体为一个整体的最初概念。但材料研究者们可不是普通的乐高建筑师，他们可以操纵原子，是微观层面的造物者。

这项“拼乐高”的技术究竟牛在哪里呢？分子束外延是一种低能量、工作于超高真空环境下的薄膜沉积技术，是将高纯金属源分别加热到各自生长温度，喷射出的分子束到达高温衬底表面形成目标薄膜。氧化物分子束外延技术与传统的半导体分子束外延技术相比，多了一个氧源，可以实现氧化物的生长。生成的薄膜厚度以纳米计数，最薄可以长成一个单胞层，一般厚度不会超过50纳米。利用这项技术可以长自支撑钙钛矿氧化物（陶瓷材料），最薄甚至仅有一个单胞那么厚，薄如“蝉翼”。

由于存在水解过渡层，用简单的水泡法就可以使薄膜脱离原本的基地，仿佛一座“移动的乐高城堡”，可以自由地转移到任何衬底上，解决了之前的由于晶格失配以及界面氧化等问题无法生长在硅上的难题，对新型存储器材料的应用提供了很好的前提条件。

“乐高建筑师”们背后的故事

任何一项学术评价高超的成果背后，都一定有课题组全体人员的共同努力。为了一个研究成果的实现，研究者也一定经历了很多趣事与囧事。在采访中，韩露多次提到在研究过程中课题组师生们共同开展的工作，提到在“移动乐高城堡”背后那些可爱的人与有趣的故事。

回忆起自己读博的研究经历，韩露说：“从2016年开始直博，我一直在做这个方向。15年上半年实验室仪器才到位，实验室的建立、仪器系统的调试以及材料的生长设计都需要长时间的摸索，这里聂老师、季殿祥、郭维师兄们付出了巨大的心血，是非常不容易的。到后来开始我自己的课题，前期摸生长参数用了两年多，后来才稳定掌握了方法。从开始进行工作到文章投出去，审稿审了一年，但前期积累需要很久。可以说一波三折，直到最后一刻文章才被接收。”

提及如何做好科研工作，韩露谈到兴趣的重要性，她强调，兴趣引导科研。 “做科研就是要开心，只有开心才能发现有意义的方向，才会有创新能力。要永葆好奇心，兴趣广泛，尝试很多东西。读研究生和本科获得知识不一样，研究生应该是主动汲取知识，而不是被动获得。可能对于自己知识领域里了解一些，其他的不太懂，但不懂不怕，再及时去学。合格的南大研究生就是需要有快速学习、深入理解新知识领域的能力。”

“聂老师的眼睛里有星星！”

对于韩露而言，课题组的氛围对自己科研水平的进步至关重要。“聂老师每次开组会都是全英文开组会，我大三进入课题组，本科生就跟研究生一样培养，慢慢训练英文思维，表达上就会脱口而出，一周开一次组会，每人讲一篇与课题相关的文章。后面参加国际会议，就会发现长期的英文锻炼是有效果的。”

“最打动我的是聂老师始终保持着强烈的科研热情，经常鼓励我们讨论问题。有时候讨论课题很投入，甚至会忘了吃饭，或者干脆边吃边聊。思维碰撞产生火花的时候，你会看到聂老师眼睛里的光，我们作为学生当然也会受到感染和鼓舞。”