解讀曹原發表的第五篇Nature：或掀起石墨烯研究新熱潮
近日，被稱為“天才少年” 的麻省理工學院（MIT）博士後曹原在 Nature 發表了題為《可調諧、強耦合超導的魔角旋轉三層石墨烯 》（Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twistedtrilayer graphene）的論文，Jeong Min Park 和曹原為共同一作，曹原與導師 Pablo Jarillo-Herrero 共同擔任通訊作者。
這是 25 歲的曹原以一作身份在 Nature 發表的第 5 篇論文，文章發佈後立馬引起廣泛關注。
中國科學院山西煤炭化學研究所研究員陳成猛對 DeepTech 表示，曹原年紀輕輕就能在領域內接連突破，是非常了不起的成就。“這項研究是魔角雙層石墨烯研究工作的延續和進化，這一系列開創性研究工作共同揭示了石墨烯奇特的超導性能，也為石墨烯在微納電子領域的應用推開了一扇窗。”
論文指出，在旋轉三層石墨烯（MATTG）中發現了摩爾超導。在 MATTG 結構中，將中間層石墨烯相對於上下兩個外層以新的角度扭轉，其電子結構和超導性比雙層石墨烯更穩定。
圖 丨 相關論文（來源：Nature）
“這項研究探索了石墨烯的本徵物理性質，是與眾不同的開創性工作。” 陳成猛説。
“三明治” 結構的超強耦合超導性
摩爾超晶格（Moiré superlattices）藴含強關聯物理以及超導性，已成為近年來研究相關物理和超導性的平台。儘管在其他摩爾體系中也觀察到了類似現象，但是魔角雙層石墨烯仍然是目前為止唯一經過扭轉而表現出超導性質的材料。
這次曹原和團隊的新研究不是雙層石墨烯結構，而是三層。
圖 丨 鏡像對稱 MATTG 中的電子結構與強超導性（來源：Nature ）
理論物理學家提出，如果把三層石墨烯結構堆疊起來，然後把中間層相對於上下兩個外層扭轉特定的 “魔法角度” 1.56 度，那麼將會產生一種能促使材料中電子配對的對稱性，從而形成零阻力電流。
通過調節三層結構，MATTC 體系產生超強耦合超導性。相較於雙層魔角扭轉石墨烯，MATTC 具有更豐富的相圖以及電場可調諧性，這將更有利於研究層間相互作用以及超導性質。
圖 丨 MATTG 相圖（來源：Nature）
Jarillo-Herrero 教授提出了相關實驗想法，論文共同一作 Jeong Min Park 和曹原設計了三層石墨烯結構，將單層石墨烯切分為三部分，並以理論預測的角度精確堆疊。最終未看到能量消散，這意味着它是超導體，並且比雙層結構的超導性更加穩定。
Jarillo-Herrero 把這種結構稱 “納米三明治”，每個結構的尺寸僅有幾微米，相當於人類頭髮的直徑的 1/100 大小，高度則為三個原子。
圖 丨 超強耦合超導性與鄰近 BCS-BEC 交叉點（來源：Nature）
研究團隊發現，有兩種方式可以控制三層石墨烯結構的超導性。第一種方式：改變流過材料的電子數量的同時，測量材料停止耗散能量的情況以及變為超導體時的臨界温度，以實現能夠像調節晶體管一樣 “打開” 和 “關閉” 其超導性。
第二種方式：使用附加電極對材料施加電場，不僅能在改變三層結構之間的電子分佈，還可以不改變結構的整體電子密度。通過調節三層結構來產生超強耦合超導性，這在雙層石墨烯和其他扭曲結構中尚未發現同樣的可能性。
圖 丨 超導電性與載流子的關聯性（來源：Nature）
“魔角三層石墨烯可以成為最強大的耦合超導體，這意味着在給定的電子數量很少的情況下，它也能在相對較高的温度下進行超導。”Jarillo-Herrero 説。
Park 在接受媒體採訪時表示：“我們的主要目標是理解強耦合超導的基本性質。三層石墨烯不僅是有史以來最強大的強耦合超導體，它還具備最大的調節空間。藉助這種可調諧性，我們能夠真正實現在相空間的任何位置探索超導電性。”
令人期盼的 “殺手鐧” 應用
哈爾濱工業大學化工與化學學院教授甘陽告訴 DeepTech，“相比魔角扭轉雙層石墨烯，魔角扭轉三層石墨烯的電子結構和超導性質的可調控性更好。建立更多的摩爾超晶格超導體體系，向完全理解強耦合超導體的本質又邁進了一步。”
曾長淦在談到曹原發展的時候，公開對曹原清醒、低調的態度表示贊同，並希望媒體以平常心看待，“媒體也不用太吹捧他，不要讓他有心理負擔，這樣才能夠專注在自己的工作上面。”
未來，三層石墨烯的研究還有很大發展空間，“儘管研究結果初步表明，對準稍有偏差對 A-tw-A 鏡面對稱性的作用影響不大，但正如作者也承認的，三層石墨烯的最上面和最下面兩層的精準對準和角度控制仍需要進一步完善。” 甘陽説。
對於石墨烯領域的下一步研究方向，陳成猛對 DeepTech 表示，期待基於這些理論原型研究，學術界與產業界能合作設計開發相應的石墨烯電子原型器件，逐步提升技術成熟度，最終形成期盼的 “殺手鐧” 應用。
科研界 “海嘯級” 後浪，出道即巔峯
曹原 1996 年在四川成都出生。他有很多光環標籤：“學霸 “、“天才少年”、“科研界的流量明星”、“海嘯級後浪”、“中國潛在的最年輕的諾貝爾獎獲得者”……
他是該領域的風向標人物 ——Nature 雜誌創刊以來發表論文最年輕的中國第一作者；在 Nature “2018 年度世界十大科學人物” 中位居榜首。那麼，他有着怎樣的經歷呢？
由於成績優異，在小初高階段接連跳級。14 歲的曹原以 669 分的高考成績，進入中國科學技術大學少年班。據媒體報道，曹原本來想學化學，後來發現自己對物理“情有獨鍾”，於是轉到物理領域，並進入到 “嚴濟慈物理英才班”。
2014 年，他獲得郭沫若獎學金，這是中科大畢業生的最高榮譽。後就讀於 MIT 電氣工程與計算機科學系，現在 MIT 從事博士後研究工作，導師是物理學家 Pablo Jarillo-Herrero。
圖 | 曹原和他的導師 Pablo Jarillo-Herrero （來源：MIT）
2017 年，曹原所在團隊首次發現當兩層石墨烯以 “魔法角度” 1.1 度旋轉疊加時，可以轉變為非常規的超導體，從而使電流零阻力通過，而不會浪費能量。
2018 年 3 月，22 歲的曹原將石墨烯研究的重大突破在 Nature 同一天連續發表兩篇論文，國際學術界為之震動。
從此，掀起扭轉電子學（twistronics）領域熱潮，科研界不斷重複實驗，尋找是否其他材料也可以經過“扭一扭”而表現出超導性質。“魔角石墨烯” 的研究相關成果接連登上 Science、 Nature 等頂級學術期刊。
圖 丨 2018 年 Nature 雜誌封面圖片致敬曹原發現的 “魔角” 石墨烯（來源：Nature ）
曹原在中科大時的導師曾長淦教授在公開採訪時表示：“曹原 2018 年的兩篇論文是‘從零到一’的創新。”
2020 年 5 月，曹原在 Nature 再次發表兩篇關於石墨烯最新進展的背靠背論文 。兩篇論文闡述了魔角石墨烯的後續研究，分別探求了魔角石墨烯性質的可控性以及扭曲角的無序問題。
其中一篇論文中，曹原團隊通過納米級針尖掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip），獲得處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，使局部 θ 變化圖得以呈現。這意味着魔角雙層石墨烯的超導等相關狀態，可能會因其發生轉化，這為光電或熱電應用方向的原子層級扭轉提供了研究的指導方向。
另一篇論文中，通過對扭轉角的控制來調諧電子 — 電子相互作用的強度，將魔角特性應用到其他二維研究體系，實現相似的物理行為。
圖 丨 石墨烯概念圖（來源：Pixabay）
曹原的導師 Pablo Jarillo-Herrero 也因 “魔角石墨烯” 的研究，獲得 2020 年巴克利凝聚態物理獎（Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）以及 2020 年沃爾夫獎。
當然，也有人對此提過疑問。美國俄亥俄州立大學物理學家 Chunning Jeanie Lau 就曾經提出，尚不能確定銅氧化物和雙層石墨烯超導體的超導機制是完全相同的，還需要更多實驗來確定。
在早前接受 DeepTech 採訪時，曹原對此進行了回應，他説：“我們比較了旋轉雙層石墨烯的超導態中的轉變温度和載流子濃度的關係，發現旋轉雙層石墨烯中的超導配對強度甚至比銅氧化物、重費密子等非常規超導體更大，更接近於 BEC-BCS 轉變線。所以即使它的超導機理和銅氧化物不同，研究為什麼在看似如此簡單的石墨烯系統中會存在這樣強的超導配對在理論上也是非常有意思、獨特的。”