中国粉体网讯 北京时间12月19日零时，世界顶尖学术期刊《Nature》杂志发布了2018年度影响世界的十大科学人物，发现石墨烯超导角度的“神童”曹原位居榜单的第一位。今年的封面图片明显指向曹原的成果，数字“10”中的“0”被处理成一个正六边形，宛如构成石墨烯的碳环结构；数字“10”的整体组成也是寓意”魔角”石墨烯的发现。
在今年的3月份，曹原以第一作者身份在《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现而震惊全球！这是《Nature》自创建149年以来的第一次！曹原也因此成为登上《Nature》最年轻的一位中国人！这位中国科大10级少年班的校友可谓是当之无愧的石墨烯领域年度人物！
自古英雄出少年
曹原1996年出生于四川成都，他自幼就十分的聪明，读小学时，往往老师刚说出题目，余音未消，他就能喊出答案。2007年9月，他顺利考上了以“超常教育”闻名的深圳耀华实验学校。在这里，他更加放飞自我：他在课堂上提出的一些问题，有时让老师都难以回答；他在学校搞个实验室，还在家里弄个实验室，当时做实验所需的硝酸银很贵，也很难买到，他就买来了硝酸，偷偷把妈妈的银镯子放了进去，人工“合成”了硝酸银……这些事惊动了校长，可校长却连连称赞：这孩子是个好苗子，是个天才！并当即决定送他进少年班，进行“超常教育”。
而他从此更是一发不可收拾：一个月读完初一，三个月读完初二，不到半年读完初三，才13岁的他就考上了高中，14岁的他参加高考，考出了理科669的高分！中国科学技术大学将他抢到手，并被选去了驰名中外的、用来培养未来科研领域领军人物的“严济慈物理英才班”！
“石墨烯牛仔”曹原：一个诱导碳原子薄膜产生超导性的博士生
曹原的青少年时期异于常人。18岁时，他不仅已经高中毕业，还从中国科学技术大学拿到了本科学位，并前往美国开始攻读博士。此后，曹原再接再厉，先后发表了两篇关于原子厚度碳片层奇异行为的论文，开启了物理学的一个全新领域。曹原承认自己的情况有别于常人，但是说自己并不特殊。
2014年，曹原加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工学院的团队，曹原的主要工作是考察在堆叠的双层石墨烯中，如果将其中一层相对另一层旋转极小的角度后会发生什么。根据一种理论预测，这种扭曲会极大地改变石墨烯的行为，但许多物理学家对此持怀疑态度。曹原决心创造出这种以微妙角度扭曲的双层石墨烯，并发现了一些奇异的现象。对石墨烯施加微弱的电场并冷却至绝对零度以上1.7度时，会让能导电的石墨烯变成绝缘体。这一发现本身不可谓不令人惊讶。
不同角度扭曲的双层石墨烯
曹原说：“我们已经料到这会对整个领域带来巨大影响。”但更好的消息还在后面：只需稍微调整一下电场，扭曲的双层石墨烯就能成为一个超导体，让电子实现零电阻流动。他们在第二个样本中观察到了同样的现象，最终确认了自己亲眼所见的事实。
通过简单的旋转就能让原子厚度的碳材料产生复杂的电子态，这一研究成果让物理学家争相对其它扭曲二维材料的奇异行为进行实验。一些物理学家甚至希望石墨烯能够阐明复杂材料为何会在更高的温度下成为超导体。哥伦比亚大学物理学家Cory Dean表示：“我们接下来可以做的事情太多了，眼前的机会巨大。”成功将平行的双层石墨烯扭曲至约1.1°的“魔角”需要一些试错，但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero认为曹原的实验技巧至关重要。
曹原原创的方法先将单层石墨烯撕裂，组成方向相同的双层石墨烯，并在此基础上进行微调校准。曹原还通过调整低温系统，达到了能让超导态更为显著的温度。
曹原现在22岁了，但他对自己未来的职业道路还不确定。他说：“在魔角石墨烯上，我们还有很多事情要做。”曹原本科时的指导老师、中科大物理学家曾长淦表示，全球各大高校已经在用博士后职位，甚至是教职岗位来吸引他。“他的名字在国内凝聚态物理学界无人不晓。”曾教授说。
MIT石墨烯超导重大发现:魔角石墨烯
石墨烯是一种二维材料，它是由碳原子组成的呈蜂巢晶格的平面薄膜。在非常低的温度下，单层石墨烯具有超导电性。麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原团队发现，如果将双层石墨烯扭转成特定角度，即所谓的“魔角”，材料就会在1.7K时变成超导体，这可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门，该成果以“背靠背”形式刊登在Nature官网上。
Nature 1：在魔角石墨烯超晶格中半填充时的相关绝缘体行为
范德华异质结构是二元构筑单元垂直堆叠而成，在二维材料丰富的功能性基础上，可以实现更多的工程化操纵。其中一个方向，就是通过控制层间扭曲角度，来调控范德华异质结的电子结构。到目前为止，关于扭曲角度在范德瓦尔斯异质结构中效应的研究主要集中在石墨烯/六方氮化硼扭曲结构中，由于在六方氮化硼中存在大带隙，其表现出相对较弱的层间相互作用。
【成果简介】
在美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）团队和曹原（第一作者）的带领下，与美国哈佛大学，日本国立材料科学研究所合作，报道了当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”时，由于强的层间耦合，产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦。这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态，产生的新电子态是Mott绝缘体态，来源于电子之间的强排斥作用。魔角扭曲双层石墨烯的独特性质可能为无磁场的二维平台上的多体量子相位开启新的运动场。相关成果以题为“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。
【小结】
该团队的研究表明，石墨烯可以通过范德华工程转化为平衡带系统，其中相关效应起着基础性作用。魔角TwBLG为研究Mott绝缘体态提供了一个新的平台，它可以提供对强关联材料的洞察力，特别是高温超导性。三角形晶格上的自旋和谷结合自由度的丰富性也可以引起如量子自旋液体等外来量子相位。
Nature 2：魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性
数十年来，强关联电子材料的行为令物理学家感到困惑，特别是非常规超导体的行为。这种困难激发了新的研究范式，例如模拟量子材料的超冷原子晶格。
【成果简介】
在美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）和曹原（第一作者）团队的带领下，与美国哈佛大学，日本国立材料科学研究所合作，报道了堆叠具有小扭曲角的两个石墨烯片中二维超晶格，产生一种全新的电子态——超导态。当旋转角度小到魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。相关成果以题为“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。
【小结】
石墨烯超晶格中非常规超导的实现将石墨烯超晶格建立为一个用于研究相关电子物理的相对简单的，可访问和高度可调的平台。石墨烯超晶格中的相互作用可以通过扭曲角度和通过差分门控施加垂直电场来进一步微调。此外，通过向石墨烯超晶格施加压力以增加层间杂化，或通过耦合不同的石墨烯超晶格结构以引起垂直方向上的Jospehson耦合，Tc可以进一步增强。类似的魔角超晶格和平带电子结构也可以用其他二维材料或晶格来实现，以研究具有不同属性的强相关系统。
资料来源：澎湃新闻、环球时局、材料牛等。
（中国粉体网编辑整理/青禾）
