人物介紹：曹原

曹原

曹原，男，1996年出生，四川成都人，美國麻省理工學(xué)院博士生。在《自然》上以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國學(xué)者。 2018年12月18日，曹原登上《自然》年度科學(xué)人物榜首。

1996年，曹原在素有天府之國美稱的成都出世。當(dāng)時(shí)，西南地區(qū)普遍貧窮，成都雖然是省會城市但與北上廣深這樣的大城市相比連望其項(xiàng)背的資格都沒有，為了孩子的教育也為了將來事業(yè)的發(fā)展在曹原三歲時(shí)他父母就舉家搬遷到深圳。

2007年9月，11歲的曹原成功考取深圳耀華實(shí)驗(yàn)學(xué)校，一所專門培養(yǎng)“天才少年”的學(xué)校。

2009年9月，年僅13歲的曹原就從初中部直接升到高中。短短一年時(shí)間內(nèi)，學(xué)完了高中的全部知識；甚至還有一大半時(shí)間去折騰實(shí)驗(yàn)。

在一次物理實(shí)驗(yàn)中老師黃佳堂告訴他：

“如果有人能在常溫狀態(tài)下發(fā)明出一種超導(dǎo)材料，就可以顛覆整個(gè)世界?！?/strong>

這句話打開了曹原對物理認(rèn)知的新大門。

2010年，14歲的曹原迎來人生第一次高光時(shí)刻：高考6月22日，高考成績公布他以理科669的高分被中科大無條件錄取，保送進(jìn)“嚴(yán)濟(jì)慈物理英才班”。

曹原念到大二時(shí)曹原主動找上曾長淦教授希望能去他實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)石墨烯超晶格知識。

2012年，作為中科院首批國際交流生，曹原被派往美國頂級研究型大學(xué)——密歇根大學(xué)學(xué)習(xí)。

2013年，曹原獲得中科大“頂尖海外交流獎(jiǎng)學(xué)金”。同年，他被英國頂級研究型大學(xué)牛津大學(xué)選中，受邀前往倫敦做為期兩個(gè)月的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2014年，曹原再次獲得中科大最高榮譽(yù)獎(jiǎng)：郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金！

2015年，命運(yùn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與曹原正面相撞。他被導(dǎo)師看中，推薦至當(dāng)時(shí)全球第一大理工科大學(xué)——麻省理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位。天之驕子開始了廢寢忘食的搞研究：讓石墨烯成為那個(gè)顛覆世界的超導(dǎo)材料！

2018年3月5日，《自然》連刊兩文報(bào)道石墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)。值得關(guān)注的是，本次兩篇Nature論文的第一作者、麻省理工學(xué)院博士生曹原來自中國。

這名中科大少年班的畢業(yè)生、美國麻省理工學(xué)院的博士生發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)轟動國際學(xué)界，直接開辟了凝聚態(tài)物理的一塊新領(lǐng)域。

這一重大發(fā)現(xiàn)，讓世人再次燃起追尋超導(dǎo)體材料，零損耗傳輸電力的信心！

下面簡單介紹一下超導(dǎo)體與石墨烯相關(guān)研究的意義：

一、超導(dǎo)體

（1）超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的H·卡茂林·昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，汞在-268.98℃（4.2K）時(shí)電阻消失。后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，H·卡茂林·昂內(nèi)斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。昂內(nèi)斯由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。

（2）按解釋的理論分類：

常規(guī)超導(dǎo)體 V.S 非常規(guī)超導(dǎo)體

如果超導(dǎo)的機(jī)理可以用常規(guī)理論解釋，就是常規(guī)超導(dǎo)體，如果不能，就是非常規(guī)超導(dǎo)體。

（3）按材料達(dá)到超導(dǎo)的臨界溫度分類：

高溫超導(dǎo)體 V.S 低溫超導(dǎo)體

高溫超導(dǎo)體是具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）能在液氮溫度條件下工作的超導(dǎo)材料。成分多是以銅為主要元素的多元金屬氧化物，氧含量不確定，具有陶瓷性質(zhì)，具有明顯的層狀二維結(jié)構(gòu)。

低溫超導(dǎo)體具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc＜30K），在液氦溫度條件下工作的超導(dǎo)材料。分為金屬、合金和化合物。具有實(shí)用價(jià)值的低溫超導(dǎo)金屬是Nb( 鈮 )。

（4）高溫超導(dǎo)，目前包括銅氧化物高溫超導(dǎo)和鐵基高溫超導(dǎo)兩大類材料

但它們都是非常規(guī)高溫超導(dǎo)材料——并不能用常規(guī)理論解釋——高溫超導(dǎo)機(jī)理至今仍然是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域懸而未決的重大謎題之一（涉及最基本的物理問題：在多體關(guān)聯(lián)電子體系中的集體量子凝聚行為，目前解釋這個(gè)現(xiàn)象的凝聚態(tài)物理理論框架，尚未完全建立）。

（5）應(yīng)用：

1、軍事上即聚能武器。

2、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。幾乎沒有能量損失，減小體積，提高發(fā)電效率。

4、醫(yī)用超導(dǎo)磁體。

5、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。

二、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料，每一個(gè)碳原子都有四個(gè)價(jià)電子，其中三個(gè)通過sp2雜化軌道和別的碳原子聯(lián)結(jié)成鍵，剩下一個(gè)p軌道的電子在與該層石墨烯垂直的軌道上“運(yùn)動”。

小球是碳原子，小棍是sp2雜化軌道

三、邏輯研究的意義

曹原的研究，總的來說一般人都看不懂，我們來看看得懂的收獲和意義。

總邏輯線：按“魔角”角度旋轉(zhuǎn)的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了新型電子狀態(tài)，通過一頓操作成功模擬了高溫超導(dǎo)中的物理狀態(tài)。

首先，按魔角（magic angle）旋轉(zhuǎn)兩層石墨烯（方法：拉堆技術(shù)tear and stack technique）。

于是改變了兩層石墨烯的狄拉克錐能帶雜化效果，即，在原本完美的狄拉克錐上打開一個(gè)能隙并使狄拉克點(diǎn)上的費(fèi)米速度被重整化。

這里的能帶的雜化，我們的理解和軌道雜化是有相通之處的：石墨烯的每個(gè)碳原子有4個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)以sp2雜化軌道成鍵和另外3個(gè)碳原子相連，剩下一個(gè)電子在與石墨烯平面垂直的p軌道，兩層石墨烯經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，那么兩層石墨烯之間的電子軌道還會有神奇的雜化，軌道的雜化帶來能量的雜化，用「圖」來表示就是能帶的雜化。能帶雜化的變化效果，也就是隨著旋轉(zhuǎn)角度的改變，原本呈錐形（和狄拉克方程有關(guān)）的能帶圖形改變了。關(guān)注到旋轉(zhuǎn)兩層石墨烯的另一效果：改變「費(fèi)米速度」。雖然并不知道費(fèi)米速度是什么，但總之讓費(fèi)米速度變成零的角度就是“魔角”。

魔角

其中θ表示旋轉(zhuǎn)角度，倒L形表示狄拉克點(diǎn)，兩個(gè)六邊形就是上下相疊的兩個(gè)碳六元環(huán)。

按照魔角旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生兩個(gè)現(xiàn)象：擴(kuò)展元胞&摩爾紋。此處的元胞和晶胞的概念有些類似，即不斷重復(fù)的最小單元（此處為菱形）。

兩層石墨烯以“魔角”旋轉(zhuǎn)——擴(kuò)展元胞

黑色小菱形是二維的石墨烯的元胞，紅色大菱形是把另一層石墨烯隨意旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后形成的新的不斷重復(fù)的最小單元——它顯然比小黑菱形大，遂為擴(kuò)展元胞。

明暗相間的波紋——摩爾紋

當(dāng)把兩層石墨烯的旋轉(zhuǎn)角度改為魔角時(shí)，就會出現(xiàn)上圖效果：明顯能看出明暗相間的波紋，波紋的最小重復(fù)單元依然是菱形——一個(gè)包含了超多碳原子的超大菱形，一個(gè)真正的擴(kuò)展元胞。

黑色粗線部分就是摩爾紋的波長——λ

這種狀態(tài)下，兩層石墨烯之間的電子（垂直于雙層石墨烯平面的方向未成鍵的第四個(gè)價(jià)電子）就處在一種全新的狀態(tài)了。這個(gè)狀態(tài)大概是什么樣子的呢？天才曹原給了下面一張圖：

摩爾紋模型圖

右圖E就是菱形摩爾紋的模型圖，白色圓圈表示摩爾紋中亮亮的部分（菱形頂點(diǎn)），被稱為AA排布，即上下兩層碳原子完全對準(zhǔn)（如左圖D所示）；其他地方就是摩爾紋較暗的部分，被稱為AB或BA排布，即上下兩層碳原子剛好交錯(cuò)（如左圖D所示）。也就是說，左圖D最底下那層藍(lán)色，對應(yīng)的就是兩層石墨烯（還能看到明暗相間的摩爾紋）。而上面的波峰波谷的圖，則指它在底下石墨烯對應(yīng)的地方的「電子密度」（說法并不準(zhǔn)確，縱軸LDOS表示local density of state，可能是「能態(tài)密度」？）：AA區(qū)域?qū)?yīng)上去在波峰，「電子密度」高；AB或BA區(qū)域?qū)?yīng)上去在波谷，「電子密度」低。

曹原的團(tuán)隊(duì)通過靜電門技術(shù)連續(xù)改變石墨烯中的載流子濃度，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)與非常規(guī)超導(dǎo)體的相似點(diǎn)。

【相似點(diǎn)一：莫特絕緣體】

在講這個(gè)相似點(diǎn)之前先回顧一下之前說過的超導(dǎo)體分類：常規(guī)超導(dǎo)體&非常規(guī)超導(dǎo)體。前面還提到了一個(gè)能帶理論，它就是一個(gè)能解釋常規(guī)超導(dǎo)體但是不能解釋非常規(guī)超導(dǎo)體的常規(guī)理論。它的觀點(diǎn)之一就是能帶全滿的話不導(dǎo)電，能帶半滿就導(dǎo)電。這個(gè)填滿能帶的東西（應(yīng)該）就是載流子。假設(shè)能帶全滿的時(shí)候的載流子濃度是ns，那么半滿就是ns/2。

然后看下圖F：

電導(dǎo)與載流子濃度

縱軸表示電導(dǎo)，即某種導(dǎo)體傳輸電流能力的強(qiáng)弱；橫軸表示載流子濃度，載流子濃度是和導(dǎo)電性有關(guān)的。中間處n=0，也就是載流子濃度為0的點(diǎn)是狄拉克點(diǎn)；淺色陰影區(qū)能帶全充滿，載流子濃度為ns；深色陰影區(qū)能帶半充滿，載流子濃度為ns/2。

從n從大到小（由兩邊向中間）這段連續(xù)變化的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)在ns區(qū)域，也就是能帶全滿填充的時(shí)候，電導(dǎo)為零，也就是絕緣，這是符合能帶理論的；但是在ns/2區(qū)域，能帶半滿填充的時(shí)候，又出現(xiàn)了一段絕緣的平臺，這就是不符合能帶理論的（如前所述，按能帶理論，能帶半滿是可以導(dǎo)電的），不符合能帶理論的絕緣體被稱為莫特絕緣體。莫特絕緣體又是高溫超導(dǎo)材料的母體材料，于是這就構(gòu)成了魔角雙層石墨烯與高溫超導(dǎo)體的第一個(gè)相似點(diǎn)。曹原就覺得，那既然你和高溫超導(dǎo)體這么像，那我就像對高溫超導(dǎo)體一樣對待你就好了嘛。于是他就繼續(xù)調(diào)節(jié)載流子濃度、降溫，從而使材料產(chǎn)生了超導(dǎo)電性。這也是魔角雙層石墨烯與高溫超導(dǎo)體的第二個(gè)相似點(diǎn)。

【相似點(diǎn)二：超導(dǎo)電性】

為什么相似呢？按照我們讀出來的內(nèi)容，歸納了兩個(gè)原因。

原因一

莫特絕緣態(tài)的雙層石墨烯不同載流子濃度下出現(xiàn)的拋物線型超導(dǎo)區(qū)和高溫超導(dǎo)體的電子態(tài)相圖一致。

電子態(tài)相圖

旋轉(zhuǎn)角為一個(gè)魔角角度的雙層石墨烯的電子態(tài)相圖，縱軸為溫度，橫軸為載流子濃度。SC就是super conductivity表示超導(dǎo)區(qū)，是拋物線型的。

銅氧化物（常用的高溫超導(dǎo)材料之一）的電子態(tài)相圖

原因二

超導(dǎo)態(tài)雙層石墨烯和莫特絕緣體都受溫度和磁場影響。

這三幅圖證明了超導(dǎo)態(tài)雙層石墨烯超導(dǎo)性受溫度和磁場影響。

超導(dǎo)態(tài)雙層石墨烯超導(dǎo)性受溫度和磁場影響

彩色短線表示不同的載流子濃度的雙層石墨烯，可以集中看紅色線表示的雙層石墨烯。

J圖，外加磁場大小為0T?？醇t線對應(yīng)的部分，隨著溫度的升高，依次經(jīng)歷了黃色的SC（超導(dǎo)態(tài)）和藍(lán)色的Mott（莫特絕緣態(tài)），可見超導(dǎo)態(tài)雙層石墨烯超導(dǎo)性受溫度影響。K圖，外加磁場大小為0.4T。看紅線對應(yīng)的部分，只有Mott（莫特絕緣態(tài)），SC（超導(dǎo)態(tài)）消失。f圖，外加磁場大小為8T。看紅線對應(yīng)的部分，連Mott（莫特絕緣態(tài)）都消失了，完全恢復(fù)金屬導(dǎo)電性?？梢姵瑢?dǎo)態(tài)雙層石墨烯超導(dǎo)性受磁場影響。而一個(gè)純正的莫特絕緣體，它也是溫度升高會恢復(fù)金屬態(tài)，同時(shí)4T以上的磁場逐漸恢復(fù)導(dǎo)電性，直到8T磁場下完全恢復(fù)正常金屬導(dǎo)電性的。所以二者是非常相似的。

綜上，從母體的莫特絕緣態(tài)，到二維超導(dǎo)態(tài)，魔角石墨烯都神奇地模擬了高溫超導(dǎo)中的物理。但是曹原一開始并不是為了研究高溫超導(dǎo)而扭轉(zhuǎn)石墨烯的，他只是很好奇扭轉(zhuǎn)兩層石墨烯之后會發(fā)生什么。結(jié)果竟然發(fā)生了這么神奇的事，連發(fā)兩篇nature。

四、意義與質(zhì)疑

意義：第一個(gè)純碳基2D超導(dǎo)體&提供高溫超導(dǎo)機(jī)理較簡單的研究平臺

銅氧化物超導(dǎo)這類非常規(guī)超導(dǎo)是最有可能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)零下140度左右實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但銅氧化物超導(dǎo)的系統(tǒng)又很復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)條件需要花費(fèi)大量的勞力物力，所以很難進(jìn)行有效的下一步研究，所以銅氧化物為代表的高溫超導(dǎo)體淪為難以解釋的非常規(guī)超導(dǎo)體。然而下文：

Our results also establish MA-TBG as thefirst purely carbon-based 2D superconductor and, more importantly, asa relatively simple and highly tunable platform that enablesthorough investigation of strongly correlated physics（強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，也就是解釋高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵）.

意義：雖低溫但低載流子濃度，可能帶來高溫超導(dǎo)新突破。

雖然其超導(dǎo)溫度僅有1.7 K，尚且低于金屬摻雜的少層石墨烯。然而對應(yīng)的載流子濃度很低(-1.4×10^12 cm-2)，在MoS2體系涉及的載流子濃度為7×10^13 cm-2，高溫超導(dǎo)體中將更高幾個(gè)數(shù)量級。如此低的載流子濃度尚且能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)，雙層石墨烯還是很有潛力的。

質(zhì)疑：不一定是莫特絕緣體的狀態(tài)，雙層石墨烯超導(dǎo)體和非常規(guī)高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制不一定相同。

諾貝爾大佬斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家Robert Laughlin 認(rèn)為，“目前還不清楚是否在銅氧化物超導(dǎo)體中出現(xiàn)的所有行為都會發(fā)生在石墨烯超導(dǎo)體中，所以新的相關(guān)實(shí)驗(yàn)需要開展，才能獲得大家的認(rèn)可?！币簿褪钦f，本來曹原團(tuán)隊(duì)的想法是，銅氧化物之類的高溫超導(dǎo)體非常難研究（需要很極端的實(shí)驗(yàn)條件，例如很強(qiáng)的磁場，才能展開研究），但是雙層石墨烯驚人地展現(xiàn)出和高溫超導(dǎo)體非常相似的性質(zhì)，似乎隱隱地告訴世人，我和正經(jīng)的高溫超導(dǎo)體有同樣的超導(dǎo)機(jī)理，研究我只要電場就好啦，比銅氧化物方便多了呢。然而，有物理學(xué)家表示，用別的已有理論完全可以解釋雙層石墨烯的這個(gè)現(xiàn)象，表明不一定是和高溫超導(dǎo)一樣的機(jī)理。

所以，曹原表示，即使最后證明二者的機(jī)制不一樣，“在文章中我們比較了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的超導(dǎo)態(tài)中的轉(zhuǎn)變溫度和載流子濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的超導(dǎo)配對強(qiáng)度甚至比銅氧化物、重費(fèi)密子等非常規(guī)超導(dǎo)體更大，更接近于BEC-BCS轉(zhuǎn)變線(和近年非?；馃岬牟糠骤F基超導(dǎo)相近)。所以即使它的超導(dǎo)機(jī)理和銅氧化物不同，研究為什么在看似如此簡單的石墨烯系統(tǒng)中會存在這樣強(qiáng)的超導(dǎo)配對也是在理論上非常有意思、獨(dú)特的?！?/p>

參考資料

[1] Cao, Y. et al. Naturehttp://dx./10.1038/nature26160 (2018).

[2] Cao, Y. et al.Nature http://dx./10.1038/nature26154 (2018).

[3] E.J. Mele,Novel electronic states seen in graphene, Nature 2018.