曹原发表第5篇Nature,获得三层魔角石墨烯新突破

  还记得中国学者,麻省理工学院博士曹原吗?他不仅是郭沫若奖学金的获得者,还是以第一作者身份在Nature上发表论文的最年轻中国学者。年仅25岁就在石墨烯超导领域发表了5篇Nature,个人经历也比较传奇。

  曹原发表第5篇Nature,获得三层魔角石墨烯新突破

  图 | 曹原

  三年时间读完小学、初中和高中的课程,高考总分为669分,考入中国科学技术大学少年班,大学期间获得郭沫若奖学金,4年后Nature连刊两文报道石墨烯超导重大发现——当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应。

  2020年5月6日,曹原在魔角石墨烯领域取得重大进展,再次连发两篇Nature。2021年2月1日,他作为第一作者+通讯作者再次发文,不是双层魔角石墨烯而是三层魔角石墨烯新突破。

  曹原发表第5篇Nature,获得三层魔角石墨烯新突破

  图 | 相关论文

  什么是石墨烯?相关百科介绍,“它是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,在光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面都具有重要作用。”

  “石墨烯存在于自然界中难以剥离出单层结构。”其由英国曼彻斯特大学的两位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年发现,由于使用简单方法就可得到越来越薄的石墨薄片,因此科学家们争相创新制备石墨烯。

  超导现象一般发生在极度低温状态,一些金属的电阻会突然消失,从而对电流的阻碍作用为零。目前最高温度的超导现象在-70℃,因为这种环境限制导致了在实验室以外的地方很难获取。

  2018年曹原的发现被认为是从“0”到“1”的突破。当低温下两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应(被称为“莫尔超导体”)。回顾曹原发表在2020年的两篇Nature,“其中一篇控制扭转角度,微角度扭转的双层石墨烯是全新石墨烯体系;第二篇以六方氮化硼封装的双层魔角石墨烯为研究对象,致力于扭曲角的分布信息。并且使用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,绘制了局部θ变化图。”

  曹原所在团队是来自MIT的Pablo Jarillo Herrero课题组,Pablo Jarillo Herrero是研究石墨烯领域的大牛。2021年,曹原第5篇Nature的创新发现是三层魔角石墨烯(MATTG)不仅与双层魔角石墨烯(MATBG)一样都具备超导性能,并且电子结构和超导性能的可调控性能更强。

  曹原发表第5篇Nature,获得三层魔角石墨烯新突破

  图 | 镜像对称MATTG中的电子结构与强超导性

  魔角扭曲三层石墨烯中存在摩尔超导,“我们发现的摩尔超导体-魔角扭曲三层石墨烯比双层石墨烯具有丰富的相图和更强的电子结构可调控性,”曹原说,“后者使我们能够探索关联状态与超导性之间的相互作用。”

  在MATTG中,MATTG显示了一个丰富的ν、D、T和B的相图。霍尔密度表现出三种主要的行为类型,其特征是对ν的不同依赖:“gap/Dirac”, “reset” 和“VHS”(范霍夫奇点)。曹原发现,从ν=±2产生的超导性在到达VHS时一直被抑制,也就是说,超导电性被VHS“限制”,这很难与BCS理论协调。

  据悉,“BCS理论是以近自由电子模型为基础,是在电子-声子作用很弱的前提下建立起来的理论。”BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论,但是难以解释强耦合超导体,而曹原的新发现双层、三层魔角石墨烯有可能改变我们对高温超导的认知。

  曹原发表第5篇Nature,获得三层魔角石墨烯新突破

  图 | MATTG相图

  这些观察结果首次表明MATTG是超导体,能够调控接近二维玻色-爱因斯坦凝聚态的交叉点位置附近。并且,三层结构通过原位可调性能够达到超强耦合状态,具体表征为Ginzburg–Landau相干长度达到平均微粒之间的距离,达到了高于0.1的TBKT/TF数值,最大值接近0.125。

  曹原发表第5篇Nature,获得三层魔角石墨烯新突破

  图 | 超强耦合超导性与BCS -BEC交叉的接近度

  曹原连发Nature曾受到相关教授质疑,被认为“上过他的课、没有印象、学术水平一般”。但是不管是学生还是教授都是有需要提高自己的地方,2021第5篇Nature也算是回应了这一质疑,这不会是结束,而是更高的起点。

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