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「天才少年」曹原发第5篇Nature,魔角石墨烯二层变三层!

来源:新智元

25岁、被誉为中国「天才少年」的曹原再一次备受关注。

2月1日,一篇名为「Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene」的文章重磅登陆《自然》杂志。

本文的第一作者兼通讯作者曹原,已经将第5篇文章登上《自然》

在石墨烯超导领域,他与所在的研究团队再一次取得了突破,并被学术界所肯定。

曹原是谁?这位被称为「中国潜在的最年轻的诺贝尔奖获得者」到底有多牛?

Who is 曹原?

在2018年3月的一期《自然》中,杂志连刊两文报道了关于石墨烯超导的重大发现。 而在这两篇文章的第一作者栏,我们都看到了相同的名字——Yuan Cao。

这位中科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生因发现了石墨烯的而轰动学界:当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应。

这一发现直接开辟了凝聚态物理的一块新领域,有无数学者试图重复、拓展他的研究,这一成果堪称「第五大发明」。

2020年5月6日,曹原再次连发两篇Nature,在魔角石墨烯取得系列新进展。其中一篇,曹原是第一作者兼共同通讯作者;另一篇,曹原为共同第一作者。

2021年2月1日,曹原又发Nature,这是他发在这家全球顶尖学术期刊上的第5篇论文。

我们很难想象,这样的学术成就是一个20多岁的学者完成的,那么曹原究竟是谁?

1996年,曹原出生于四川成都,3岁时,他随父母来到深圳生活。

也许是从小就天赋异禀,2007年,曹原进入深圳市耀华实验学校,这里以「超常教育」而闻名,可以说是曹原思维开拓的源地。酷爱动手操作的他经常制造点「小麻烦」,拆解桌子、椅子,甚至讲台,甚至为了做实验,用妈妈的银镯子「人工合成」了。

不过在耀华实验学校看来,这些都是孩子们的小小好奇心,校长也称赞曹原是个天才!

说起来,曹原的少年学习经历几乎都是以「光速」的方式完成的:一年内学完小学六年级和初一的课程,初一读了一个月,初二读了三个月,初三不到半年就参加了中考。然而,曹原却说,「我不觉得自己比同龄人聪明多少。」

2010年,他以理科669取得高考成绩。

随后,曹原进入中国科学技术大学,并就读于驰名中外的、培养未来科研领域领军人物的「严济慈物理英才班」

成为「魔角侦探」

如果说曹原年少时的经历与「小小天才」密不可分,那么从中科大开始,他的学术生涯就要称得上「魔角侦探」的头衔了。

2014年,18岁的曹原从中科大物理专业毕业,在导师的介绍下,他前往MIT攻读PhD学位。

2018年3月6日,Nature发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。文章刊登后立即在整个物理学界引起巨大反响。有人称其「一举解决了困扰世界107年的难题」。

文章为什么会引起巨大反响?让我们先从超导说起。

1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯因发现「超导体」而获得诺贝尔奖物理学奖。超导体的概念我们现在很明了了,那是一种能将电子损失降到0的传输材质。

但是,实现超导的条件相当苛刻,要想实现这种传输条件,环境必须在绝对零度(零下273摄氏度)之下。

因为超导体能大幅降低电力传输过程中的巨大能源损耗,所以一百多年来,很多科学家都投入到该征程中,不过进展甚微。

2018年,「魔角石墨烯」进入科学视线。

研究团队将两层石墨烯堆以 1° 左右的度差异叠在一起,并通过门电压调控载流子浓度,成功实现了能带半满填充状态下的绝缘体,实现了1.7 K的超导电性。

该实验完美再现了铜氧化物高温超导中的物理现象——准二维材料体系中载流子浓度调控下的莫特绝缘体,也是第一次在纯碳基二维材料中实现超导电性,对高温超导机理研究乃至量子自旋液体的探索等强关联电子材料中前沿问题有着重要的启示。相关成果以题为「Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices」及「Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices」发表。

而这约1.1°的微妙角度就被称为「魔角」。

那一年,曹原登上了Nature年度十大科学家之首,这是该杂志创刊149年来年龄最小的入榜者。

曹原也成了以「第一作者」身份在该杂志上发表论文的最年轻的中国学者。

2020年曹原博士毕业, 目前在麻省理工学院继续从事博士后研究工作。

2020年5月6日,24岁的曹原与其博导又连发两篇Nature文章,介绍魔角石墨烯研究的新突破,这一次他们采用了一种全新的魔角石墨烯体系:基于小角度扭曲的双层-双层石墨烯(TBBG)。

在另一篇Nature论文中,曹原等人致力于研究扭曲角的分布信息。他们以六方氮化硼(hBN)封装的MATBG为研究对象,通过使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置(SQUID-on-tip)获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像,并绘制了局部θ变化图。这项研究为相关物理现象的实现和应用提供了指导。

半年后,曹原的第5篇Nature文章也来了。

这回,他的研究有了新突破,不再是双层魔角石墨烯,而是三层

魔角三层石墨烯

曹原和其导师发现了双层石墨烯能产生超导性后不久,也有人在思考,三层、四层甚至更多层的石墨烯是否也有超导的奇迹发生?

对此,他的导师Pablo鼓励道:「Why not, let’s give it a try and test this idea!」

曹原与团队成员将单层游丝石墨烯薄片小心地切成三个部分,并将每个部分以精确角度彼此堆叠,设计了三层石墨烯结构。

三层结构,每个结构跨度为几微米(大约是我们头发直径的1/100),高度为三个原子。

研究小组将电极连接到结构的两端,并通过电流,同时测量材料中损失或散发的能量。

看不到有能量消散,这意味着它是超导体。

镜像对称MATTG中的电子结构与强超导性

值得注意的是,通过使用附加电极,研究人员可以施加电场来改变结构三层之间的电子分布,而无需改变结构的整体电子密度。这是控制材料超导性的第二种方法,这在双层石墨烯和其他扭曲结构中尚没被发现其可能性。

争议的「石墨烯」领域,天才少年直言不入美籍

曹原第5篇Nature发布后,也引起了不小的争议。

因为石墨烯本身就是一个比较「论文」的话题。

由于特殊的性质,石墨烯有很多理论上的东西可以去研究,也可以出成果,在类似于《自然》的杂志上发表论文。

有人表示,「曹原的研究进一步促进了扭旋电子学的形成与发展。这篇是玩三层石墨烯的扭转。扭转角度+层数,有无穷个组合,一个个试,paper不停的发。」

也有人质疑称,「这种方法早有人提过。」

不过,我们应该理性看待科研成功,科研人员。

天才少年曹原的5篇Nature的确值得津津乐道,但背后科研的辛苦与付出则是任何评论都替代不了的。

况且,石墨烯扭角带来的一种简单体系研究超导的思路,也带来了新的研究领域,如扭旋电子学(twisttronics)这是曹原论文的贡献之一。

科学的道路总是充满争议,特别是量子、石墨烯这种发展中领域。

况且,Nature发文不是「造神运动」,年轻的科研人员是我们值得尊敬的人。

值得一提的是,就在去年,曹原被美国很多高校以优渥的条件邀请加入美籍,对此曹原却表示,自己并不稀罕绿卡,最终还是要回国,他说,「自己今天取得的成功离不开祖国的培养,他是中国人,他要留在中国。」

这让我们对这位少年天才,更加肃然起敬!

参考链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0

https://www.zhihu.com/question/4424763202

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/5/439417.shtm

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