星期五晚的实验

磁悬浮的实验是如此的有趣，甚至让人上了瘾。它给我上了重要的一课，那就是尝试那些和我的专业领域八竿子打不着的研究方向有可能会产生非常有趣的结果，即使最初的想法可能是极其简单的。这段经历影响了我的研究风格。从那以后，我开始做一些不合常规的实验尝试，并且无端地称它们为“星期五晚的实验”。当然这个名字并不准确，因为没有什么深入的研究工作可以在一个晚上完成。实际上，它需要好几个月的横向思考，毫无明确目的地查阅不相关的文献。最终，你会找到一种感觉——注意是感觉而不是想法——你会感觉到什么问题研究一下可能会很有趣。接着，你开始尝试实验。通常的结果是失败。然后你有可能继续试一试或者放弃。不管怎样，在某个时刻你都必须做出一个艰难的决定，究竟是继续投入精力，还是放弃尝试，开始研究别的问题。所有的这些都是在你的主要研究活动之余进行的，它们只需要占用你的一点点时间和一点点思考。

 从我在Nijmegen工作的时候开始，我就用这种横向思考来设计本科生和研究生的课题了。学生们对于这种研究方式总是感到很兴奋。1999年到Nijmegen来读博士学位的Kostya Novoselov（译者注：Novoselov与Geim分享了2010年诺贝尔奖）参与了很多这样的实验。为了不影响学生们的正常学习和毕业，这些研究通常耗时不会超过几个月。虽然随着每一次的失败渐成事实，起初的热情都会慢慢消退，但是有一些学生后来告诉我说这些广泛探索的研究经历是他们人生中的无价之宝。

 最令人惊奇的是，有的时候失败并未如期而至。壁虎胶带（Gecko tape）就是这样的一个例子。一个偶然的机会，我读到一篇文章描述了壁虎超强的攀爬能力背后的原理[12]。其中的物理是很简单的。壁虎的脚趾上覆盖着许多微细的绒毛，每一根绒毛能够和它要攀爬的表面产生微弱的范德瓦尔斯力（10的负九次方牛顿量级），但是亿万根这样的绒毛就足以产生巨大的吸引力，从而可以使得壁虎爬上任何物体表面，甚至玻璃的天花板。尤其引起我注意的是这种绒毛的尺寸，它们在微米量级，这正是我所研究的介观物理所在的尺度范围。当这个现象在我的脑海里时隐时现了一年多之后，Segey Dubonos和我设计出了一种能够模拟壁虎脚趾上绒毛的材料。Segey加工出了大概一平方厘米大小的这种材料，它表现出了比较明显的黏附力[13]。不幸的是，这种人造的材料比不上壁虎的脚趾，经过几次粘贴和分离之后，它的黏附力就完全消失了。但是，这仍不失为一个重要的验证性实验，它启发了其他人在这个领域中的深入研究。我们希望某一天人们能够复制出像壁虎脚趾那样的结构和具有自我清洁功能的胶带。这样这项研究就可以转化成产品了。

 Better to be wrong than boring

在我准备这个演讲的时候，我总结了一个我们曾经尝试过的“星期五晚实验”的列表。直到那个时候我才意识到一个令人惊讶的事实。在大约15年的时间里我们一共做了二三十个这样的实验，可以想见，大部分的都彻底失败了。但是有三个成功者：磁悬浮，壁虎胶带以及石墨烯。这意味着一个极高的成功率：超过了10%！除此之外，还有几次与成功擦肩而过。比如，我曾读到一篇文章[14]关于FeGeSeAs合金中的巨逆磁效应，这意味着这种材料可能会出现高温超导状态。我找同事Lamarches要了这种样品，Kostya Novesolov 和我用弹道输运霍尔磁测量技术来检验这种巨逆磁效应，但是失败了。即使冷却到1K也没有发现这种巨逆磁效应。这次尝试发生在2003年，远早于后来引发巨大关注的铁基超导体的发现。至今我还在寻思当时我们的样品中是否有很小的一部分转变成了超导体，只不过被我们忽略了。另外一次这样的错失良机是我们试图测量单个活体细胞的“心跳”。实验的想法是用二维电子气体的霍尔器件来作为高精度的电压计，用以测量活体细胞中的生物电信号。我们实验的结果是，当细胞活着的时候我们的装置测量不到任何“心跳”，但是当我们用大量酒精导致细胞凋亡的时候，我们可以观察到巨大的电压脉冲[15]。现在我明白了当时之所以探测不到活体细胞的心跳是因为我们选错了细胞。我们选的是酵母菌，这是一种比较木纳的细胞。在我们的实验之后过了四年，其他的研究组选用胚胎心脏细胞在石墨烯上取得了成功[16]。

 老实说，我并不认为如此高的成功率是因为我特别擅长于的横向思考。更确切地说是，它告诉我们，试探（有的时候甚至是漫无目标的试探）新的研究方向比一般人预期的回报率要高。我们很有可能在某一个已有的矿藏里挖掘得太深了，留下了大量未被探寻过的宝藏就埋藏在浅浅的地表下，只要稍微往旁边一试探我们就会发现它。当一个人有尝试的勇气时，虽然并不是一定总是有所回报，但是至少这是一次探险的经历。

 曼彻斯特的生活

到2000年，我的名下有了介观超导和磁悬浮的研究工作以及四篇发表在Nature上的论文，申请正教授的条件成熟了。当我的同事们得知我最终选择了曼彻斯特大学而拒绝了其他一些看起来更加著名的大学时都感到非常惊讶。其实其中的原因很简单。曼彻斯特大学教授招聘委员会的主任Mike Moore知道我的妻子Irina并不仅仅是我的实验助手和Nijmegen的兼职物理教员，他还知道她曾经在Bristol大学的博士后期间做得非常成功。所以他建议Irina申请曼彻斯特大学的一个教职。在荷兰的六年里，我从没有奢望过我们******可以在同一个学校都有正式的职位。这就是让我们决定去曼彻斯特大学的原因。我们不仅感激这个可以同时解决我们两人工作问题的机会，而且也为未来的同事对我们的关心而感动。我们从来没有后悔过做出这个决定。

 于是，2001年初，在曼彻斯特大学我分到了几间年久失修，装满老仪器的房子，还有10万英镑的启动经费。大学里没有共享的大型实验平台，除了一台氦气液化机。这对我来说不成问题。我继续了在Nijmegen时的工作模式，借助别的合作者，尤其是Seregey Dubonos的帮助来开展工作。实验室以令人惊讶的速度成形了。半年之内，我拿到了我的第一笔50万英镑的研究经费。我用它买了一些必须的设备。虽然我们一岁的女儿占据了妻子很多时间和精力，她也在几个月后申请到了她的启动经费。我们邀请Kostya Novesolov以Research Fellow的身份加入我们的实验室（同时他还是作为研究生挂靠在Nijmegen，在2004年他从Nijmegen获得博士学位）。我们实验室的研究开始产生成果，这为我们赢得更多的资助，从而导致更多的成果。

 到2003年，我们已经发表了几篇优质的论文，包括在Nature，Nature Materials和Physical Review Letters上，同时我们也不断地为实验室增添新的仪器。另外，我们拿到了一个一百四十万英镑的资助（由时任科技部长的David Sainsbury倡导的研究基础设施计划提供），计算机系的Ernie Hill和我建立起了曼彻斯特介观和纳米技术中心。我们并没有用这笔意外之财来建房子，相反，我们利用了计算机系已有的一个250平米的超净间。我们搬走里面一些老旧的仪器，取而代之的是一些最先进的微细加工设备，包括一台新的电子束刻蚀系统。对于这个中心，Ernie和我最感到骄傲的是世界上许多其他类似的中心拥有更为昂贵的仪器，但是我们的中心从2003年起，就持续产出新的器件结构。我们拥有的并不是一匹用来展示的骏马，而是一匹埋头苦干的驮马。

 每当我向其他国家的同事描述我的这段经历时，他们都觉得在三年之内，凭借并非天文数字的启动经费就可以建立起一个完整的实验室和微细加工中心实在是难以置信。如果我不是亲历者我也不会相信。一切进展的都非常顺利。大学很支持我们的工作，但是我最要感谢的是英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）非常负责的工作模式。这个资助机构******而且不排外，你在学术界里的地位以及人脉关系基本上不会产生任何影响。另外，在同行评议的过程中，也不会要求你的研究项目要有所谓的“前瞻性的想法”和“对社会与经济需求的巨大应用前景”。事实上，这个机构是基于申请者最近一段时间在其领域的研究成果而分配经费的。那些工作得勤奋而且有效的研究者一般会获得资助。当然，没有哪一个资金分配体系是完美的。我们总在期望更好的体系。但是，让我改用丘吉尔的一句名言，“除了我所知道的世界上别的国家以外，英国的研究资助体系是最糟糕的”。

 三朵思想的云

当我们的实验室和纳米中心慢慢成形的时候，我开始有一些空闲的时间来考虑新的“星期五晚实验”。壁虎胶带的成功和那几个关于酵母菌和“准铁基超导体”的失败就是发生在那段时间。一位来自俄罗斯研究所的高级研究员，我们实验室的常客以及宝贵的合作者，Serge Morozov，把他的前两次访问浪费在了研究“磁化水”的课题上。2002年秋，我迎来了我们在曼彻斯特的第一位研究生，姜达。我需要给他设计一个博士课题。显然，在开始的几个月里，他要花时间提高英语，熟悉实验室的环境。对于一个初学者，我给他建议了一个我横向思考的课题，那就是把石墨加工成尽可能薄的薄膜，如果做成了，我答应他我们将测量它的“介观”性质。近来，当我试图回想起当时这个想法是怎么产生的时，我记得有三朵非常不成形的“思想的云朵”。

 第一朵云是所谓“金属电子学”的概念。如果给金属一个外加电场，金属表面的电子数目会改变，从而可以预见它的表面性质也会改变。这正是现代半导体电子器件工作的原理。为什么不用金属代替半导体硅呢？当我还是本科生的时候，我尝试过给金属加电场，用X射线来探测金属表面晶格常数的变化。这个想法是很天真的，因为通过简单的数量级估计我们就能知道这种变化是极其微小的。没有哪一种电介质可以承受高于1V/nm的电场强度，如果换算成电荷密度的话，相当金属表面电荷密度的改变不能超过每平方厘米10的14次方个电子（译者注：我用高斯定理计算了一下，似乎应为每平方厘米10的13次方个电子）。作为比较，一个普通的金属，比如金，在中性状态下每立方厘米包含有~10的23次方个电子。即使对于一个纳米厚的金薄膜，在其上增加或减少每平方厘米10的14次方个电子只能改变其电子密度的1%，从而电导率改变1%（译者注：我检查了一下，似乎应为千分之一或者万分之一），更不用说其晶格常数更为微小的变化了。

 历史上曾有许多研究人员试图测量这种电场对于金属的作用。最早这个想法要追溯到1902年，在电子刚刚被发现之后，J.J.Thomson（电子发现者，1906年诺贝尔物理学奖得主）就曾建议Charles Mott（著名理论物理学家Nevill Mott之父，Nevill Mott获得1977年诺贝尔奖）去寻找金属薄膜中的电场效应，但是没有找到[17]。科学文献中最早关于金属中的电场效应的记载出现在1906年[18]。如果不用普通的金属，我们也可以考虑采用电子密度低得多的半金属，比如铋，石墨或者锑（译者注：有趣的是，这三者为逆磁性最强的三种材料，除了超导体以外）。在过去的一个世纪里，人们尝试过探寻铋薄膜中（电子密度为10的18次方每立方厘米）的电场效应，但是只观察到了它随着外加电场非常微弱的电导变化[19，20]。因为对这个研究方向有所了解，加之有生长砷铝化镓异质结的经验，我时不时会思考一下用别的材料来做探寻这种效应，尤其是用超薄的超导体，当它在普通导体/超导体转变零界点时，它的电场效应会被放大[21，22]。在Nijmegen，我还曾一度被分子束外延的方法在砷铝化镓表面生长的铝薄膜点燃热情，但是经过一些数量级的估计之后，我觉得成功的几率太小，根本不值一试。

 在1990年到2000年左右，碳纳米管是另外一朵悬挂在我脑海中的云。那一段时间是碳纳米管的研究最为热门的时候。当时在荷兰，我有机会参加了Cees Dekker和Lee Kouwenhoven的报告，也读过Thomas Ebbesen, Paul McEuen, Sumio Iijima, Pheadn Avouris等人的论文（译者注：此几位皆为碳纳米管方面最为著名的大人物）。他们所展示的那些非常漂亮的研究成果每每都吸引我想进入这个研究领域。但是当时进入已经太迟了，我想找到别的研究方向，避开那拥挤的碳纳米管研究大军。

 第三朵云是我读到一篇Millie Dresselhaus写的关于在石墨的层与层之间插入其他物质的综述性文章[23]。文中清楚地指出，即使经过多年的研究，我们对石墨依然知之甚少，尤其是其电子学性质。这篇影响深远的文章促使我深入地调研了石墨方面的文献。我读到了Pablo Esquinazi和Yakov Kopelevich的文章，他们报导了铁磁性，超导性和金属-绝缘体转变，这些都发生在我们的老朋友石墨身上，而且是在室温下[24，25]。那些撩人心弦的文章给我留下了深刻的印象，我感觉到石墨非常值得深入研究一下。

 这三朵思想的云（或许还有其他我无法回想起来的因素）通过某种莫名的方式融合在了一起，形成了我给姜达的研究课题。我估摸着如果我们能成功地做成石墨薄膜，而不是铋薄膜，那么它们有可能展现一些类似于碳纳米管的有趣电子学性质。为什么不在这个方向试探几个月呢？我想。