第一作者：Yuan Cao

通訊作者：Pablo Jarillo-Herrero

第一單位：MIT

第一作者：Yuan Cao

通訊作者：Yuan Cao，Pablo Jarillo-Herrero

第一單位：MIT

2018年3月5日，國(guó)際頂尖期刊Nature連刊兩文，以背靠背長(zhǎng)文形式在網(wǎng)站刊登了麻省理工學(xué)院Jarillo-Herrero教授課題組墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)。此外，Nature在網(wǎng)站還配以Eugene J. Mele的評(píng)述。

特別值得關(guān)注的是，本次兩篇重磅文章第一作者是來(lái)自中國(guó)的博士生曹原。曹原本科畢業(yè)于中科大少年班，令人驚訝的是，這位博士生今年年僅21歲。

MIT石墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)

范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)是二元構(gòu)筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)更多的工程化操縱。其中一個(gè)方向，就是通過(guò)控制層間扭曲角度，來(lái)調(diào)控范德華異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。

有鑒于此，MIT的Pablo Jarillo-Herrero、Yuan Cao團(tuán)隊(duì)在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，打開(kāi)了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門。

Pablo Jarillo-Herrero（左）和Yuan Cao（右）

Nature雜志在2018年3月5日以背靠背的長(zhǎng)文形式，在網(wǎng)站刊登了這項(xiàng)還沒(méi)來(lái)得及排版的重大研究成果，并配以Eugene J. Mele的評(píng)述。

圖1. 不同角度扭曲的雙層石墨烯

Cao等人發(fā)現(xiàn)，堆疊的雙層石墨烯中，電學(xué)行為對(duì)原子排列非常敏感，影響層間電子移動(dòng)。對(duì)于物理學(xué)家而言，電學(xué)行為通常是由能量主導(dǎo)。而在這項(xiàng)研究中，單層石墨烯內(nèi)原子間電子移動(dòng)有關(guān)的能量在eV量級(jí)，而在層間的電子移動(dòng)涉及的能量量級(jí)最多在幾百meV。

要想解開(kāi)這個(gè)謎題，對(duì)稱性是關(guān)鍵！

對(duì)于結(jié)構(gòu)高度有序的單層石墨烯而言，電學(xué)性能取決于對(duì)稱性。研究人員制備了旋轉(zhuǎn)扭曲的雙層石墨烯，通過(guò)電子之間的相互作用來(lái)控制整個(gè)體系的電子態(tài)。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位錯(cuò)使石墨烯層中的電子能帶結(jié)構(gòu)不再對(duì)齊，單胞變大。

圖2.扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結(jié)構(gòu)

研究人員發(fā)現(xiàn)，扭曲的雙層石墨烯會(huì)產(chǎn)生兩種全新的電子態(tài)。一種電子態(tài)是Mott絕緣體態(tài)，來(lái)源于電子之間的強(qiáng)排斥作用。另一種是超導(dǎo)態(tài)，來(lái)源于電子之間的強(qiáng)吸引作用而產(chǎn)生零電阻。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小到魔角時(shí)（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會(huì)形成窄電子能帶，電子相互作用效應(yīng)增項(xiàng)，從而產(chǎn)生非導(dǎo)電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。

圖3. 石墨烯超晶格中的二維超導(dǎo)

這項(xiàng)研究成果，為超導(dǎo)研究帶來(lái)了新思路，也為全新電學(xué)性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺(tái)！

曹原近照（來(lái)自其Facebook主頁(yè)）。

值得關(guān)注的是，本次兩篇Nature論文的第一作者、MIT博士生曹原來(lái)自中國(guó)。今年年僅21歲，本科畢業(yè)于著名的中科大少年班。

根據(jù)報(bào)道，曹原1996年出生，籍貫是四川成都。2010年，14歲的曹原從深圳耀華實(shí)驗(yàn)學(xué)?？既腧懵曋型獾闹袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，并入選“嚴(yán)濟(jì)慈物理英才班”。

從中學(xué)時(shí)代起，曹原即受益于“超常教育”。據(jù)當(dāng)時(shí)的媒體報(bào)道：曹原2007年到深圳耀華實(shí)驗(yàn)學(xué)校讀書(shū)，該校主管超常教育的副校長(zhǎng)為朱源。后者曾任教中科大少年班20多年。曹原用了三年的時(shí)間讀完小學(xué)六年級(jí)、初中和高中的課程。高考總分為理科669分。2014年，曹原榮獲中科大本科生最高榮譽(yù)獎(jiǎng)——郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金。

據(jù)中科大丁澤軍教授回憶，曹原是“很聰明的家伙！本科時(shí)計(jì)算物理課程中的課題研究成果發(fā)了一篇文章，J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99。沒(méi)花多少時(shí)間，也就是一個(gè)寒假就做完了”。

中科大物理學(xué)院教授曾長(zhǎng)淦也證實(shí)“這是在我實(shí)驗(yàn)室混過(guò)的娃”。曾長(zhǎng)淦回憶“（本科）在我們實(shí)驗(yàn)室還發(fā)了一篇PRB理論文章呢。當(dāng)時(shí)就覺(jué)得他太厲害了”。

曾教授接受采訪回憶起曹原：“我實(shí)驗(yàn)室出了很多位郭沫若獎(jiǎng)，但曹原在其中還是顯得卓爾不群，非常特別。我們的研究以實(shí)驗(yàn)為主，但曹原發(fā)的卻是理論文章。雖然在實(shí)驗(yàn)選題、方向與寫作上我可給他指導(dǎo)，但在技術(shù)細(xì)節(jié)上無(wú)法手把手教他。曹原是如此的令人放心：只要把題目交給他就行，他一定能做出來(lái)！ 聰明人很多，曹原卻還主動(dòng)。計(jì)算遇到困難，他永遠(yuǎn)會(huì)想嘗試其他的軟件方法。曹原愛(ài)好廣泛，也喜歡計(jì)算機(jī)，什么都能搗騰，朋友圈經(jīng)常發(fā)天文觀測(cè)的照片。才氣過(guò)人的天才往往持才傲物，但曹原卻非常低調(diào)沉穩(wěn)，情商很高。他在我們實(shí)驗(yàn)室時(shí)就很受歡迎。去年他曾回科大訪問(wèn)，提到了研究的進(jìn)展?？吹匠晒l(fā)表。我很高興！”

一位與曹原熟悉的少年班畢業(yè)生說(shuō)：我們都覺(jué)得他可能成為下一個(gè)莊小威，這一點(diǎn)都不過(guò)分。他實(shí)在是太強(qiáng)了，以前在科大就是傳說(shuō)級(jí)的人物。

Pablo Jarillo-Herrero教授與曹原發(fā)表的論文

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. （本文為評(píng)論Jarillo-Herrero教授與曹原的文章）