95后博士生曹原連發(fā)兩篇Nature，介紹了「魔角石墨烯」研究的新突破

當(dāng)?shù)貢r間 5 月 6 日，中科大 2010 級少年班畢業(yè)生、美國麻省理工學(xué)院（MIT）「95 后」博士生曹原與其博導(dǎo) Pablo Jarillo-Herrero 連發(fā)兩篇 Nature 文章，介紹了「魔角石墨烯」研究的新突破。 這是被認(rèn)為「天才少年」的曹原第二次連發(fā)兩篇 Nature：在 2018 年 3 月，曹原同樣以第一作者的身份連發(fā)了兩篇 Nature，開辟了凝聚態(tài)物理的新領(lǐng)域，一時令學(xué)術(shù)界震動。

曹原 1996 年出生于四川成都，14 歲通過高考進入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)嚴(yán)濟慈物理英才班。盡管表現(xiàn)出超越常人的學(xué)術(shù)天賦，但曹原仍然讀滿了四年本科，他說：「我只是跳過了中學(xué)里一些無聊的事情?！? 2014 年，曹原遠(yuǎn)赴麻省理工學(xué)院攻讀碩博，進入 Pablo Jarillo-Herrero 小組，在此期間，曹原發(fā)現(xiàn)了石墨烯的非規(guī)超導(dǎo)電性。 2018 年 3 月 5 日，《Nature》在一天之內(nèi)連續(xù)發(fā)表了兩篇石墨烯超導(dǎo)方面的論文，第一作者均為曹原。文章刊登后立即在整個物理學(xué)界引起巨大反響。一些報道稱其「一舉解決了困擾世界 107 年的難題」。（兩篇論文分別為《Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices》與《Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices》） 1911 年，荷蘭物理學(xué)家卡末林?昂內(nèi)斯因發(fā)現(xiàn)一種能將電子損失降到 0 的傳輸材質(zhì)，即 「超導(dǎo)體」，而獲得諾貝爾獎物理學(xué)獎。超導(dǎo)體有助于大幅降低電力傳輸過程中的巨大能源損耗。但令人遺憾的是，要想實現(xiàn)這種傳輸條件，環(huán)境必須在絕對零度（零下 273 攝氏度）之下。此后，無數(shù)科學(xué)家前赴后繼，希望研制出能在常溫條件下實現(xiàn)「超導(dǎo)體」性能的材料，但均以失敗告終。 曹原的貢獻在于發(fā)現(xiàn)了讓石墨烯實現(xiàn)超導(dǎo)的方法。具體而言，就是發(fā)現(xiàn)了當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約 1.1° 的微妙角度（魔角）時，就會產(chǎn)生以 0 電阻傳輸電子的神奇超導(dǎo)效應(yīng)。 曹原因此成為最年輕的以一作身份在《Nature》發(fā)表論文的中國學(xué)者。也是在這一年的 12 月，曹原登上《Nature》年度科學(xué)人物榜單首位。

《Nature》在年度文章中如此介紹這位史上年齡最小的入榜者、年僅 22 歲的曹原： 「從本質(zhì)上講，他是一個『工匠』。閑暇時候，他用自制的相機和望遠(yuǎn)鏡拍攝夜空，這些器械的零件通常散落在他辦公室的各個地方。」 「在中國的凝聚態(tài)物理學(xué)界，他的名字無人不知。大學(xué)希望他回來，但他的本科導(dǎo)師認(rèn)為他應(yīng)該繼續(xù)呆在美國，那里更容易看到星星?！?聚焦「魔角石墨烯」研究新發(fā)現(xiàn) 曹原一直致力于石墨烯的研究，此次背靠背連發(fā)兩篇 Nature 文章，進一步介紹了「魔角石墨烯」研究的新突破。 在第一篇 Nature 論文中，曹原等人介紹了一種基于小角扭曲雙層石墨烯（twisted bilayer-bilayer graphene, TBBG）的高度可調(diào)諧關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，TBBG 表現(xiàn)出豐富的相圖性質(zhì)，并具有對扭曲角和電位移場高度敏感的可調(diào)諧關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)，這種可調(diào)諧關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)又能夠基于電位移場的開關(guān)狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換。最后他們認(rèn)為這些研究結(jié)果有利于在扭曲超晶格中探索扭曲角 / 電場可控的關(guān)聯(lián)相。 除第一作者身份之外，曹原還與其導(dǎo)師 Pablo Jarillo-Herrero 教授為文章的共同通訊作者。 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

扭曲雙層石墨烯中的可調(diào)諧關(guān)聯(lián)態(tài)和自旋極化相。 在第二篇 Nature 論文中，曹原等人展示了魔角扭曲雙層石墨烯（magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG）的研究。他們利用納米級針尖掃描超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得量子霍爾態(tài)下朗道能級的斷層圖像，并繪制六方氮化硼（hBN）封裝的 MATBG 器件的局部 θ 變化圖，相對精度達到 0.002 度，空間分辨率也為幾個莫爾周期。最后，研究者確立了 θ 無序作為非傳統(tǒng)無序類型的重要性，從而可以將扭曲角梯度用于能帶結(jié)構(gòu)工程，以及器件應(yīng)用的門可調(diào)諧內(nèi)置平面電場。 曹原與另外兩位作者 A. Uri 和 S. Grover 并列文章第一作者。 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

在魔角石墨烯中繪制扭曲角無序和朗道能級。 網(wǎng)友：這才是真正的后浪 時隔兩年，再次連發(fā)兩篇《Nature》，25 歲的博士生曹原，又一次回到了大眾關(guān)注的中心。

知友 @Genoa 表示，相比于那些吃瓜事件，「這才是應(yīng)該上科學(xué)區(qū)熱榜的問題」。

有人說，這才是真正的「后浪」：我看著你們，滿懷敬意。

這位 25 歲的年輕學(xué)者，或許已用行動詮釋了這句話：「我們這一代人的想象力，不足以想象你們的未來?！?