一层原子厚的材料，能有多神奇？两层二维材料轻轻旋转一个角度，为什么可能产生全新的量子现象？量子计算机与普通电脑有什么不同？未来芯片是否可能由二维材料制造？

  5月23日，由未来论坛、科大讯飞、奇点未来基金会联合发起，科大讯飞主办“追星就追科学家”校园公益科普活动走进武汉经济技术开发区第一中学（朱光亚科技中学）。上海交通大学物理与天文学院教授、博士生导师，2025亚洲青年科学家基金项目—物质科学研究员李听昕，为现场师生带来题为《二维材料：凝聚态物理研究的新乐园》的科普讲座，带领同学们走近二维材料与量子世界。

  活动现场，“两弹一星功勋奖章”获得者朱光亚先生之子、原国防科工委系统工程研究所研究员朱明远先生也来到学校，与同学们面对面交流科学探索与工程实践中的思考。

  从量子世界出发，认识“More is different”

  什么是凝聚态物理？面对这个对高中生来说略显陌生的概念，李听昕从量子力学讲起。他介绍，量子力学起源于人类对微观世界的探索，如今已深刻影响现代生活：手机、计算机中的晶体管，激光、核磁共振等技术，都与量子力学密切相关。

  “凝聚态物理，就是把量子力学应用到由大量粒子（如原子、电子）组成的凝聚态物质（如固体、液体）中去。”李听昕解释，单个原子、单个电子的行为相对容易理解，但当大量原子、大量电子聚集在一起，会涌现出新的物理现象。

  他借用诺贝尔物理学奖得主安德森的名言“More is different”说明凝聚态物理的魅力：很多时候，“多者异也”。正是在大量粒子相互作用的系统中，超导、分数量子霍尔效应等奇妙现象才得以出现。

  “原子乐高”：二维材料带来新可能

  在讲座中，李听昕重点介绍了二维材料。2004年，科学家用一卷普通胶带从石墨中剥离出只有一层碳原子厚的石墨烯，由此开启了二维材料研究的新时代。这个看似简单的实验，也让同学们直观感受到：重大科学发现，有时就藏在最朴素的材料和最巧妙的方法里。

  二维材料并不只有石墨烯。半导体、超导体、磁性材料、拓扑材料等，都可能以二维层状材料的形态存在。科学家还可以像搭积木一样，把不同二维材料一层层堆叠起来，制造人工量子结构。

  李听昕把这一过程形象地称为“原子乐高”：通过选择不同材料、改变堆叠顺序和旋转角度，研究者可能获得自然界中原本不存在的新物态。近年来备受关注的“魔角石墨烯”和莫尔超晶格研究，正是这一方向的代表。

  李听昕还结合自身团队在转角二维材料中的研究，介绍了当两层二维半导体材料以特定角度堆叠时，材料中电子的行为会发生深刻变化，甚至可以出现分数量子反常霍尔效应等全新的量子现象。这些内容让同学们看到，基础物理研究不仅包括理论研究，也有实验探索，还可能为未来量子技术和新型电子器件提供重要基础。

  追问不止，探索不息

  有同学问：“显微镜下并不能直接看出原子晶格结构，你们怎么知道材料转了多少度？”李听昕解释，实验中并不一定需要直接看到每一个原子晶格，因为材料的晶体结构本身已经明确。研究人员可以通过识别二维材料薄层的边缘方向，并借助转台控制两层材料的相对角度，从而构筑二维莫尔超晶格结构。

  还有同学对讲座中提到的“拓扑”概念产生兴趣，询问数学里的拓扑分类为什么能够解释朗道能级、量子霍尔效应等物理现象。李听昕进一步解释，在量子力学中，波函数包含粒子的全部物理信息。理论物理学家发现，晶体中电子的波函数也可以用拓扑方法进行分类；拓扑性质不同，就会表现出截然不同且对局部扰动十分稳健的物理现象。

  除了实验操作和理论概念，同学们也把问题延伸到未来学习和科技应用。有学生关心，如果大学选择量子信息科学相关专业，高中阶段应如何打好基础。李听昕建议，同学们要重视数学和物理学习，因为量子信息与量子计算都建立在扎实的数理基础之上。也有同学问到量子计算机与普通电脑的区别，以及二维材料是否可能用于下一代芯片。李听昕教授表示，量子计算希望真正利用量子力学原理提升计算能力，而二维材料因其原子级厚度和特殊电子性质，正是未来新型电子器件和芯片研究的重要方向之一。

  互动环节中，朱明远也结合自己长期从事软件系统研发的经历，与同学们分享了面对困难的态度。有学生问，在开发系统、证明数学定理、开展前沿物理实验时都会遇到困难，应该如何坚持。朱明远表示，软件工作几乎每天都在与问题和错误打交道，重要的是把困难视为探索过程的一部分。他还建议同学们从接到课题或任务的第一天起，就记录每天遇到的问题、错误和解决办法，因为真正有价值的经验，往往就藏在不断解决问题的过程中。

  “追星就追科学家”校园公益科普活动由未来论坛、科大讯飞、奇点未来基金会联合发起，旨在邀请优秀科学家走进校园，与青少年面对面交流，在学生群体中营造尊重科学、崇尚科学、探索科学的氛围。（宋雅娟）