黃珊 楊一鳴

曹原

約 2 年前，麻省理工學院物理學家 Pablo Jarillo-Herrero 所帶領(lǐng)的團隊，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電子。該發(fā)現(xiàn)被認為或是數(shù)十年來尋找室溫超導體十分重要的一步。

《自然》連刊兩文報道了團隊的這一 “魔角石墨烯” 發(fā)現(xiàn)，第一作者為當時年僅 21 歲的麻省理工學院博士生曹原。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)域的風向標人物。

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“嚴濟慈物理英才班”，是 2014 年中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金獲得者。現(xiàn)為麻省理工學院電氣工程與計算機科學系博士生，師從麻省理工學院物理學家 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（Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）、 2020 年沃爾夫獎。

近日，Pablo 團隊再度于《自然》發(fā)表他們在 “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)的理論和實驗研究。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)境科學和計算機產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

得州大學奧斯汀分校的物理學教授 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、曹原團隊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特性。盡管該系統(tǒng)仍需要冷卻到絕對零度以上 1.7 度，但結(jié)果表明，它可能像已知的高溫超導體一樣導電，這已讓物理學家興奮不已。當時，馬德里材料科學研究所物理學家 Elena Bascones 就表示，“如果這一發(fā)現(xiàn)得到證實，可能對理解高溫超導十分重要”。斯坦福大學的物理學家、諾貝爾獎獲得者 Robert Laughlin 說，“我們可以期待在接下來的幾個月里，會有瘋狂的實驗活動來填補藍圖中缺失的部分”。

果不其然，在 Pablo 、曹原團隊的成果發(fā)布之后，“魔角石墨烯”實驗得到多個團隊的重復，并吸引到越來越多的物理學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”成為紅極一時的全新方向，相關(guān)的成果接二連三地登上《科學》《自然》等頂級期刊。

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

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、比銅導電性還好。它在與其他材料接觸時，也曾表現(xiàn)出超導性，但這種行為可以用常規(guī)超導性來解釋。而且，石墨烯這種材料比較簡單，科學家已經(jīng)對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)超導現(xiàn)象，可以有效加快科學家實現(xiàn)室溫超導的步伐。

曹原和他的導師

現(xiàn)在，這支麻省理工團隊帶來了更多擴展性的 “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地探求了魔角石墨烯性質(zhì)的可控性。研究團隊采用了小角度扭曲的雙層 - 雙層石墨烯（TBBG）體系作為研究對象，并以此制作了雙柵極高遷移率的器件投入實驗，探求了扭轉(zhuǎn)角度、外加電位移場和磁場對其性質(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)。實驗結(jié)果顯示，該體系對于扭轉(zhuǎn)角度、外加電位移場和磁場都較為敏感，出現(xiàn)了明顯的絕緣體控制開啟和阻斷的狀態(tài)。而這些實驗方法和結(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，團隊關(guān)注的是扭曲角的無序問題。不同于前文，團隊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，使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處于量子霍爾態(tài)的朗道能級的斷層圖像，繪制了局部變化圖。在實驗中發(fā)現(xiàn)的扭曲角的無序是之前沒有識別的，并且能夠具有改變局部價帶結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生局部電場的能力。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)例如超導等，也可能因其發(fā)生轉(zhuǎn)化。因為扭轉(zhuǎn)角梯度產(chǎn)生的內(nèi)部電場或能為光電或熱電應(yīng)用方向的原子層級扭轉(zhuǎn) - 范德瓦爾斯材料提供研究指導方向。

兩項研究成果發(fā)布的今天，距離 Heike Kammerlingh Onnes 發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象已經(jīng)過去了 109 年，人們?nèi)栽谔剿鞯蛪骸⒏邷叵聦崿F(xiàn)材料超導性的方法并將其用于生活中，這個目標也是應(yīng)用物理界的最重大的使命之一?？茖W家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多可以表現(xiàn)出超導性的材料，但幾乎都離不開極低溫的環(huán)境來維持這種特性?！澳Ы鞘敝写嬖诘纳衿娉瑢КF(xiàn)象開辟了研究高溫超導的新可能。

實驗室此前制備的一個樣品，用于測試石墨烯的物理特性

這個新興領(lǐng)域現(xiàn)在也被稱為 “轉(zhuǎn)角電子學”（twistronics）?！蹲匀弧吩浴癏ow ‘magic angle graphene is stirring up physics” 為題撰文報道過這股越刮越猛的 “扭一扭” 風潮，報道中，加州大學圣塔芭芭拉分校的凝聚態(tài)物理學家 Andrea Young 說：“每個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，試圖解釋這種現(xiàn)象的理論物理學家也在 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)域的每一次進展都讓人興奮不已，但正如俄亥俄州立大學物理學家 Chunning Jeanie Lau 所言，還需要更多的實驗以確定雙層石墨烯實現(xiàn)超導的機制，是否正是高溫超導體背后的同一機制。

那么，如果最后實驗證明二者的機制不一樣，實驗的研究意義如何體現(xiàn)？對于這個問題，曹原曾回復稱：“我們比較了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的超導態(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配對強度甚至比銅氧化物、重費密子等非常規(guī)超導體更大，更接近于 BEC-BCS 轉(zhuǎn)變線（和近年非常火熱的部分鐵基超導相近）。所以即使它的超導機理和銅氧化物不同，研究為什么在看似如此簡單的石墨烯系統(tǒng)中會存在這樣強的超導配對也是在理論上非常有意思、獨特的?！保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚ň庉?萊西）