解读曹原发表的第五篇Nature：或掀起石墨烯研究新热潮
近日，被称为“天才少年” 的麻省理工学院（MIT）博士后曹原在 Nature 发表了题为《可调谐、强耦合超导的魔角旋转三层石墨烯 》（Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twistedtrilayer graphene）的论文，Jeong Min Park 和曹原为共同一作，曹原与导师 Pablo Jarillo-Herrero 共同担任通讯作者。
这是 25 岁的曹原以一作身份在 Nature 发表的第 5 篇论文，文章发布后立马引起广泛关注。
中国科学院山西煤炭化学研究所研究员陈成猛对 DeepTech 表示，曹原年纪轻轻就能在领域内接连突破，是非常了不起的成就。“这项研究是魔角双层石墨烯研究工作的延续和进化，这一系列开创性研究工作共同揭示了石墨烯奇特的超导性能，也为石墨烯在微纳电子领域的应用推开了一扇窗。”
论文指出，在旋转三层石墨烯（MATTG）中发现了摩尔超导。在 MATTG 结构中，将中间层石墨烯相对于上下两个外层以新的角度扭转，其电子结构和超导性比双层石墨烯更稳定。
图 丨 相关论文（来源：Nature）
“这项研究探索了石墨烯的本征物理性质，是与众不同的开创性工作。” 陈成猛说。
“三明治” 结构的超强耦合超导性
摩尔超晶格（Moiré superlattices）蕴含强关联物理以及超导性，已成为近年来研究相关物理和超导性的平台。尽管在其他摩尔体系中也观察到了类似现象，但是魔角双层石墨烯仍然是目前为止唯一经过扭转而表现出超导性质的材料。
这次曹原和团队的新研究不是双层石墨烯结构，而是三层。
图 丨 镜像对称 MATTG 中的电子结构与强超导性（来源：Nature ）
理论物理学家提出，如果把三层石墨烯结构堆叠起来，然后把中间层相对于上下两个外层扭转特定的 “魔法角度” 1.56 度，那么将会产生一种能促使材料中电子配对的对称性，从而形成零阻力电流。
通过调节三层结构，MATTC 体系产生超强耦合超导性。相较于双层魔角扭转石墨烯，MATTC 具有更丰富的相图以及电场可调谐性，这将更有利于研究层间相互作用以及超导性质。
图 丨 MATTG 相图（来源：Nature）
Jarillo-Herrero 教授提出了相关实验想法，论文共同一作 Jeong Min Park 和曹原设计了三层石墨烯结构，将单层石墨烯切分为三部分，并以理论预测的角度精确堆叠。最终未看到能量消散，这意味着它是超导体，并且比双层结构的超导性更加稳定。
Jarillo-Herrero 把这种结构称 “纳米三明治”，每个结构的尺寸仅有几微米，相当于人类头发的直径的 1/100 大小，高度则为三个原子。
图 丨 超强耦合超导性与邻近 BCS-BEC 交叉点（来源：Nature）
研究团队发现，有两种方式可以控制三层石墨烯结构的超导性。第一种方式：改变流过材料的电子数量的同时，测量材料停止耗散能量的情况以及变为超导体时的临界温度，以实现能够像调节晶体管一样 “打开” 和 “关闭” 其超导性。
第二种方式：使用附加电极对材料施加电场，不仅能在改变三层结构之间的电子分布，还可以不改变结构的整体电子密度。通过调节三层结构来产生超强耦合超导性，这在双层石墨烯和其他扭曲结构中尚未发现同样的可能性。
图 丨 超导电性与载流子的关联性（来源：Nature）
“魔角三层石墨烯可以成为最强大的耦合超导体，这意味着在给定的电子数量很少的情况下，它也能在相对较高的温度下进行超导。”Jarillo-Herrero 说。
Park 在接受媒体采访时表示：“我们的主要目标是理解强耦合超导的基本性质。三层石墨烯不仅是有史以来最强大的强耦合超导体，它还具备最大的调节空间。借助这种可调谐性，我们能够真正实现在相空间的任何位置探索超导电性。”
令人期盼的 “杀手锏” 应用
哈尔滨工业大学化工与化学学院教授甘阳告诉 DeepTech，“相比魔角扭转双层石墨烯，魔角扭转三层石墨烯的电子结构和超导性质的可调控性更好。建立更多的摩尔超晶格超导体体系，向完全理解强耦合超导体的本质又迈进了一步。”
曾长淦在谈到曹原发展的时候，公开对曹原清醒、低调的态度表示赞同，并希望媒体以平常心看待，“媒体也不用太吹捧他，不要让他有心理负担，这样才能够专注在自己的工作上面。”
未来，三层石墨烯的研究还有很大发展空间，“尽管研究结果初步表明，对准稍有偏差对 A-tw-A 镜面对称性的作用影响不大，但正如作者也承认的，三层石墨烯的最上面和最下面两层的精准对准和角度控制仍需要进一步完善。” 甘阳说。
对于石墨烯领域的下一步研究方向，陈成猛对 DeepTech 表示，期待基于这些理论原型研究，学术界与产业界能合作设计开发相应的石墨烯电子原型器件，逐步提升技术成熟度，最终形成期盼的 “杀手锏” 应用。
科研界 “海啸级” 后浪，出道即巅峰
曹原 1996 年在四川成都出生。他有很多光环标签：“学霸 “、“天才少年”、“科研界的流量明星”、“海啸级后浪”、“中国潜在的最年轻的诺贝尔奖获得者”……
他是该领域的风向标人物 ——Nature 杂志创刊以来发表论文最年轻的中国第一作者；在 Nature “2018 年度世界十大科学人物” 中位居榜首。那么，他有着怎样的经历呢？
由于成绩优异，在小初高阶段接连跳级。14 岁的曹原以 669 分的高考成绩，进入中国科学技术大学少年班。据媒体报道，曹原本来想学化学，后来发现自己对物理“情有独钟”，于是转到物理领域，并进入到 “严济慈物理英才班”。
2014 年，他获得郭沫若奖学金，这是中科大毕业生的最高荣誉。后就读于 MIT 电气工程与计算机科学系，现在 MIT 从事博士后研究工作，导师是物理学家 Pablo Jarillo-Herrero。
图 | 曹原和他的导师 Pablo Jarillo-Herrero （来源：MIT）
2017 年，曹原所在团队首次发现当两层石墨烯以 “魔法角度” 1.1 度旋转叠加时，可以转变为非常规的超导体，从而使电流零阻力通过，而不会浪费能量。
2018 年 3 月，22 岁的曹原将石墨烯研究的重大突破在 Nature 同一天连续发表两篇论文，国际学术界为之震动。
从此，掀起扭转电子学（twistronics）领域热潮，科研界不断重复实验，寻找是否其他材料也可以经过“扭一扭”而表现出超导性质。“魔角石墨烯” 的研究相关成果接连登上 Science、 Nature 等顶级学术期刊。
图 丨 2018 年 Nature 杂志封面图片致敬曹原发现的 “魔角” 石墨烯（来源：Nature ）
曹原在中科大时的导师曾长淦教授在公开采访时表示：“曹原 2018 年的两篇论文是‘从零到一’的创新。”
2020 年 5 月，曹原在 Nature 再次发表两篇关于石墨烯最新进展的背靠背论文 。两篇论文阐述了魔角石墨烯的后续研究，分别探求了魔角石墨烯性质的可控性以及扭曲角的无序问题。
其中一篇论文中，曹原团队通过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，使局部 θ 变化图得以呈现。这意味着魔角双层石墨烯的超导等相关状态，可能会因其发生转化，这为光电或热电应用方向的原子层级扭转提供了研究的指导方向。
另一篇论文中，通过对扭转角的控制来调谐电子 — 电子相互作用的强度，将魔角特性应用到其他二维研究体系，实现相似的物理行为。
图 丨 石墨烯概念图（来源：Pixabay）
曹原的导师 Pablo Jarillo-Herrero 也因 “魔角石墨烯” 的研究，获得 2020 年巴克利凝聚态物理奖（Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）以及 2020 年沃尔夫奖。
当然，也有人对此提过疑问。美国俄亥俄州立大学物理学家 Chunning Jeanie Lau 就曾经提出，尚不能确定铜氧化物和双层石墨烯超导体的超导机制是完全相同的，还需要更多实验来确定。
在早前接受 DeepTech 采访时，曹原对此进行了回应，他说：“我们比较了旋转双层石墨烯的超导态中的转变温度和载流子浓度的关系，发现旋转双层石墨烯中的超导配对强度甚至比铜氧化物、重费密子等非常规超导体更大，更接近于 BEC-BCS 转变线。所以即使它的超导机理和铜氧化物不同，研究为什么在看似如此简单的石墨烯系统中会存在这样强的超导配对在理论上也是非常有意思、独特的。”