不是后浪是海嘯： 麻省理工九五后曹原領(lǐng)銜，“魔角石墨烯”再度關(guān)注

黃珊 楊一鳴

曹原

約 2 年前，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家 Pablo Jarillo-Herrero 所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，首次發(fā)現(xiàn)只要將兩層石墨烯旋轉(zhuǎn)到特定的 “魔法角度” 相互疊加，它們就可以在零阻力的情況下傳導(dǎo)電子。該發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為或是數(shù)十年來尋找室溫超導(dǎo)體十分重要的一步。

《自然》連刊兩文報(bào)道了團(tuán)隊(duì)的這一 “魔角石墨烯” 發(fā)現(xiàn)，第一作者為當(dāng)時(shí)年僅 21 歲的麻省理工學(xué)院博士生曹原。曹原因此開創(chuàng)性工作入選 “2018 年度十大人物” 榜單，成為該領(lǐng)域的風(fēng)向標(biāo)人物。

2018 年的《自然》雜志 十大人物封面圖致敬 “魔角石墨烯”研究

曹原于 1996 年出生，籍貫四川成都，2010 年考入中科大少年班，并入選“嚴(yán)濟(jì)慈物理英才班”，是 2014 年中科大本科生最高榮譽(yù)獎(jiǎng)——郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金獲得者。現(xiàn)為麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系博士生，師從麻省理工學(xué)院物理學(xué)家 Pablo Jarillo-Herrero。Pablo Jarillo-Herrero 教授同樣因其 “魔角石墨烯” 研究獲得 2020 年巴克利凝聚態(tài)物理獎(jiǎng)（Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）、 2020 年沃爾夫獎(jiǎng)。

近日，Pablo 團(tuán)隊(duì)再度于《自然》發(fā)表他們?cè)?“魔角石墨烯” 上的研究，曹原分別為一作和共同第一作者。最新的兩篇背靠背文章，探討用同樣的方法應(yīng)用于其他二維材料體系，繼續(xù)完善 “魔角石墨烯” 相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。基于 “魔角石墨烯” 的一系列發(fā)現(xiàn)，有望在未來應(yīng)用到諸如能源、電子、環(huán)境科學(xué)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

得州大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)教授 Allan MacDonald 和博士后 Rafi Bistritzer 最早在理論上預(yù)言了“魔角石墨烯”

在 2018 年的研究中，Pablo、曹原團(tuán)隊(duì)將兩層石墨烯在疊加并使其碳原子圖案偏移 1.1度的角度，最后制備的材料竟然具有超導(dǎo)特性。盡管該系統(tǒng)仍需要冷卻到絕對(duì)零度以上 1.7 度，但結(jié)果表明，它可能像已知的高溫超導(dǎo)體一樣導(dǎo)電，這已讓物理學(xué)家興奮不已。當(dāng)時(shí)，馬德里材料科學(xué)研究所物理學(xué)家 Elena Bascones 就表示，“如果這一發(fā)現(xiàn)得到證實(shí)，可能對(duì)理解高溫超導(dǎo)十分重要”。斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Robert Laughlin 說，“我們可以期待在接下來的幾個(gè)月里，會(huì)有瘋狂的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來填補(bǔ)藍(lán)圖中缺失的部分”。

果不其然，在 Pablo 、曹原團(tuán)隊(duì)的成果發(fā)布之后，“魔角石墨烯”實(shí)驗(yàn)得到多個(gè)團(tuán)隊(duì)的重復(fù)，并吸引到越來越多的物理學(xué)家投入到雙分子層石墨烯神奇特性的研究之中，“魔角石墨烯”成為紅極一時(shí)的全新方向，相關(guān)的成果接二連三地登上《科學(xué)》《自然》等頂級(jí)期刊。

通常而言，超導(dǎo)體大致有兩種類型：常規(guī)的超導(dǎo)體，即其活動(dòng)可以用超導(dǎo)的主流理論來解釋;非常規(guī)的超導(dǎo)體，即不能用主流理論解釋的。而根據(jù)麻省理工團(tuán)隊(duì)的研究，石墨烯的超導(dǎo)行為屬于后者，并且與其他的非常規(guī)超導(dǎo)體——銅氧化物超導(dǎo)體的活動(dòng)類似。

石墨烯一直是一種神奇的材料，具有令人驚訝的特性：這種由單層碳原子以六邊形延伸構(gòu)成的片狀材料比鋼還強(qiáng)、比銅導(dǎo)電性還好。它在與其他材料接觸時(shí)，也曾表現(xiàn)出超導(dǎo)性，但這種行為可以用常規(guī)超導(dǎo)性來解釋。而且，石墨烯這種材料比較簡(jiǎn)單，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)其研究得算比較透徹，目前不少相關(guān)研究正在聚焦如何大量制備穩(wěn)定的、優(yōu)質(zhì)的石墨烯。所以，利用石墨烯來研究非常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象，可以有效加快科學(xué)家實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的步伐。

曹原和他的導(dǎo)師

現(xiàn)在，這支麻省理工團(tuán)隊(duì)帶來了更多擴(kuò)展性的 “魔角石墨烯” 研究。在最新的文章中，第一篇成果“Tunable correlated states and spin polarized phases in twisted bilayer bilayer graphene”，曹原及其同事較為針對(duì)地探求了魔角石墨烯性質(zhì)的可控性。研究團(tuán)隊(duì)采用了小角度扭曲的雙層 - 雙層石墨烯（TBBG）體系作為研究對(duì)象，并以此制作了雙柵極高遷移率的器件投入實(shí)驗(yàn)，探求了扭轉(zhuǎn)角度、外加電位移場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)其性質(zhì)的影響。從物理層面上來說，TBBG 由兩層未旋轉(zhuǎn)的伯納爾堆疊（Bernal-stacked）的雙層石墨烯組成，具有豐富的相圖，并具有可調(diào)的相關(guān)絕緣體狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該體系對(duì)于扭轉(zhuǎn)角度、外加電位移場(chǎng)和磁場(chǎng)都較為敏感，出現(xiàn)了明顯的絕緣體控制開啟和阻斷的狀態(tài)。而這些實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果或能在相似結(jié)構(gòu)的二維材料上展開研究，并得出更多研究成果。

而在第二篇文章，團(tuán)隊(duì)關(guān)注的是扭曲角的無序問題。不同于前文，團(tuán)隊(duì)采用魔角雙層石墨烯（MATBG）作為研究體系，他們從扭曲角的分布信息，使用納米級(jí)針尖掃描超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處于量子霍爾態(tài)的朗道能級(jí)的斷層圖像，繪制了局部變化圖。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的扭曲角的無序是之前沒有識(shí)別的，并且能夠具有改變局部?jī)r(jià)帶結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生局部電場(chǎng)的能力。而扭曲角的無序?qū)τ诹孔踊魻枒B(tài)的影響也意味著 MATBG 的其他相關(guān)狀態(tài)例如超導(dǎo)等，也可能因其發(fā)生轉(zhuǎn)化。因?yàn)榕まD(zhuǎn)角梯度產(chǎn)生的內(nèi)部電場(chǎng)或能為光電或熱電應(yīng)用方向的原子層級(jí)扭轉(zhuǎn) - 范德瓦爾斯材料提供研究指導(dǎo)方向。

兩項(xiàng)研究成果發(fā)布的今天，距離 Heike Kammerlingh Onnes 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象已經(jīng)過去了 109 年，人們?nèi)栽谔剿鞯蛪骸⒏邷叵聦?shí)現(xiàn)材料超導(dǎo)性的方法并將其用于生活中，這個(gè)目標(biāo)也是應(yīng)用物理界的最重大的使命之一。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多可以表現(xiàn)出超導(dǎo)性的材料，但幾乎都離不開極低溫的環(huán)境來維持這種特性。“魔角石墨烯”中存在的神奇超導(dǎo)現(xiàn)象開辟了研究高溫超導(dǎo)的新可能。

實(shí)驗(yàn)室此前制備的一個(gè)樣品，用于測(cè)試石墨烯的物理特性

這個(gè)新興領(lǐng)域現(xiàn)在也被稱為 “轉(zhuǎn)角電子學(xué)”（twistronics）。《自然》曾以“How ‘magic angle graphene is stirring up physics” 為題撰文報(bào)道過這股越刮越猛的 “扭一扭” 風(fēng)潮，報(bào)道中，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的凝聚態(tài)物理學(xué)家 Andrea Young 說：“每個(gè)人都在嘗試把自己最中意的材料疊放起來做旋轉(zhuǎn)”。與此同時(shí)，試圖解釋這種現(xiàn)象的理論物理學(xué)家也在 arXiv 預(yù)印本服務(wù)器上先后發(fā)表了 100 多篇關(guān)于該主題的文章。該領(lǐng)域的每一次進(jìn)展都讓人興奮不已，但正如俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)家 Chunning Jeanie Lau 所言，還需要更多的實(shí)驗(yàn)以確定雙層石墨烯實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的機(jī)制，是否正是高溫超導(dǎo)體背后的同一機(jī)制。

那么，如果最后實(shí)驗(yàn)證明二者的機(jī)制不一樣，實(shí)驗(yàn)的研究意義如何體現(xiàn)？對(duì)于這個(gè)問題，曹原曾回復(fù)稱：“我們比較了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的超導(dǎo)態(tài)中的轉(zhuǎn)變溫度和載流子濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的超導(dǎo)配對(duì)強(qiáng)度甚至比銅氧化物、重費(fèi)密子等非常規(guī)超導(dǎo)體更大，更接近于 BEC-BCS 轉(zhuǎn)變線（和近年非常火熱的部分鐵基超導(dǎo)相近）。所以即使它的超導(dǎo)機(jī)理和銅氧化物不同，研究為什么在看似如此簡(jiǎn)單的石墨烯系統(tǒng)中會(huì)存在這樣強(qiáng)的超導(dǎo)配對(duì)也是在理論上非常有意思、獨(dú)特的。”（摘自美《深科技》）（編輯/萊西）