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Nature连刊三文石墨烯超导重大突破

by wittx 2020-09-04

第一作者：Yuan Cao

通讯作者：Yuan Cao，Pablo Jarillo-Herrero

第一单位：MIT

2018年3月5日，国际顶尖期刊Nature连刊两文，以背靠背长文形式在网站刊登了麻省理工学院Jarillo-Herrero教授课题组墨烯超导重大发现。此外，Nature在网站还配以Eugene J. Mele的评述。

特别值得关注的是，本次两篇重磅文章第一作者是来自中国的博士生曹原。曹原本科毕业于中科大少年班，令人惊讶的是，这位博士生今年年仅21岁。

MIT石墨烯超导重大发现

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。

有鉴于此，MIT的Pablo Jarillo-Herrero、Yuan Cao团队在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，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。

Nature杂志在2018年3月5日以背靠背的长文形式，在网站刊登了这项还没来得及排版的重大研究成果，并配以Eugene J. Mele的评述。

图1. 不同角度扭曲的双层石墨烯

Cao等人发现，堆叠的双层石墨烯中，电学行为对原子排列非常敏感，影响层间电子移动。对于物理学家而言，电学行为通常是由能量主导。而在这项研究中，单层石墨烯内原子间电子移动有关的能量在eV量级，而在层间的电子移动涉及的能量量级最多在几百meV。

要想解开这个谜题，对称性是关键！

对于结构高度有序的单层石墨烯而言，电学性能取决于对称性。研究人员制备了旋转扭曲的双层石墨烯，通过电子之间的相互作用来控制整个体系的电子态。旋转产生的位错使石墨烯层中的电子能带结构不再对齐，单胞变大。

图2.扭曲双层石墨烯中的电子能带结构

研究人员发现，扭曲的双层石墨烯会产生两种全新的电子态。一种电子态是Mott绝缘体态，来源于电子之间的强排斥作用。另一种是超导态，来源于电子之间的强吸引作用而产生零电阻。

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。

图3. 石墨烯超晶格中的二维超导

这项研究成果，为超导研究带来了新思路，也为全新电学性能的探索和工程化提供了良好的研究平台！

值得关注的是，本次两篇Nature论文的第一作者、MIT博士生曹原来自中国。今年年仅21岁，本科毕业于著名的中科大少年班。

根据报道，曹原1996年出生，籍贯是四川成都。2010年，14岁的曹原从深圳耀华实验学校考入蜚声中外的中国科学技术大学少年班学院，并入选“严济慈物理英才班”。

从中学时代起，曹原即受益于“超常教育”。据当时的媒体报道：曹原2007年到深圳耀华实验学校读书，该校主管超常教育的副校长为朱源。后者曾任教中科大少年班20多年。曹原用了三年的时间读完小学六年级、初中和高中的课程。高考总分为理科669分。2014年，曹原荣获中科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。

据中科大丁泽军教授回忆，曹原是“很聪明的家伙！本科时计算物理课程中的课题研究成果发了一篇文章，J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99。没花多少时间，也就是一个寒假就做完了”。

中科大物理学院教授曾长淦也证实“这是在我实验室混过的娃”。曾长淦回忆“（本科）在我们实验室还发了一篇PRB理论文章呢。当时就觉得他太厉害了”。

一位与曹原熟悉的少年班毕业生说：我们都觉得他可能成为下一个庄小威，这一点都不过分。他实在是太强了，以前在科大就是传说级的人物。曾教授接受采访回忆起曹原：“我实验室出了很多位郭沫若奖，但曹原在其中还是显得卓尔不群，非常特别。我们的研究以实验为主，但曹原发的却是理论文章。虽然在实验选题、方向与写作上我可给他指导，但在技术细节上无法手把手教他。曹原是如此的令人放心：只要把题目交给他就行，他一定能做出来！聪明人很多，曹原却还主动。计算遇到困难，他永远会想尝试其他的软件方法。曹原爱好广泛，也喜欢计算机，什么都能捣腾，朋友圈经常发天文观测的照片。才气过人的天才往往持才傲物，但曹原却非常低调沉稳，情商很高。他在我们实验室时就很受欢迎。去年他曾回科大访问，提到了研究的进展。看到成果发表。我很高兴！”

Pablo Jarillo-Herrero教授与曹原发表的论文

1. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

2. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

3. Eugene J. Mele. Novel electronic states seen in graphene. Nature 2018. （本文为评论Jarillo-Herrero教授与曹原的文章）

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