第一作者：Yuan Cao

通訊作者：Pablo Jarillo-Herrero

第一單位：MIT

第一作者：Yuan Cao

通訊作者：Yuan Cao，Pablo Jarillo-Herrero

第一單位：MIT

2018年3月5日，國際頂尖期刊Nature連刊兩文，以背靠背長文形式在網(wǎng)站刊登了麻省理工學(xué)院Jarillo-Herrero教授課題組墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)。此外，Nature在網(wǎng)站還配以Eugene J. Mele的評述。

特別值得關(guān)注的是，本次兩篇重磅文章第一作者是來自中國的博士生曹原。曹原本科畢業(yè)于中科大少年班，令人驚訝的是，這位博士生今年年僅21歲。

MIT石墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)

范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)是二元構(gòu)筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)更多的工程化操縱。其中一個方向，就是通過控制層間扭曲角度，來調(diào)控范德華異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。

有鑒于此，MIT的Pablo Jarillo-Herrero、Yuan Cao團隊在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，可以簡單實現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，打開了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門。

Pablo Jarillo-Herrero（左）和Yuan Cao（右）

Nature雜志在2018年3月5日以背靠背的長文形式，在網(wǎng)站刊登了這項還沒來得及排版的重大研究成果，并配以Eugene J. Mele的評述。

圖1. 不同角度扭曲的雙層石墨烯

Cao等人發(fā)現(xiàn)，堆疊的雙層石墨烯中，電學(xué)行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。對于物理學(xué)家而言，電學(xué)行為通常是由能量主導(dǎo)。而在這項研究中，單層石墨烯內(nèi)原子間電子移動有關(guān)的能量在eV量級，而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。

要想解開這個謎題，對稱性是關(guān)鍵！

對于結(jié)構(gòu)高度有序的單層石墨烯而言，電學(xué)性能取決于對稱性。研究人員制備了旋轉(zhuǎn)扭曲的雙層石墨烯，通過電子之間的相互作用來控制整個體系的電子態(tài)。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位錯使石墨烯層中的電子能帶結(jié)構(gòu)不再對齊，單胞變大。

圖2.扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結(jié)構(gòu)

研究人員發(fā)現(xiàn)，扭曲的雙層石墨烯會產(chǎn)生兩種全新的電子態(tài)。一種電子態(tài)是Mott絕緣體態(tài)，來源于電子之間的強排斥作用。另一種是超導(dǎo)態(tài)，來源于電子之間的強吸引作用而產(chǎn)生零電阻。

當旋轉(zhuǎn)角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應(yīng)增項，從而產(chǎn)生非導(dǎo)電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。

圖3. 石墨烯超晶格中的二維超導(dǎo)

這項研究成果，為超導(dǎo)研究帶來了新思路，也為全新電學(xué)性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺！

曹原近照（來自其Facebook主頁）。

值得關(guān)注的是，本次兩篇Nature論文的第一作者、MIT博士生曹原來自中國。今年年僅21歲，本科畢業(yè)于著名的中科大少年班。

根據(jù)報道，曹原1996年出生，籍貫是四川成都。2010年，14歲的曹原從深圳耀華實驗學(xué)?？既腧懵曋型獾闹袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。

從中學(xué)時代起，曹原即受益于“超常教育”。據(jù)當時的媒體報道：曹原2007年到深圳耀華實驗學(xué)校讀書，該校主管超常教育的副校長為朱源。后者曾任教中科大少年班20多年。曹原用了三年的時間讀完小學(xué)六年級、初中和高中的課程。高考總分為理科669分。2014年，曹原榮獲中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學(xué)金。

據(jù)中科大丁澤軍教授回憶，曹原是“很聰明的家伙！本科時計算物理課程中的課題研究成果發(fā)了一篇文章，J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99。沒花多少時間，也就是一個寒假就做完了”。

中科大物理學(xué)院教授曾長淦也證實“這是在我實驗室混過的娃”。曾長淦回憶“（本科）在我們實驗室還發(fā)了一篇PRB理論文章呢。當時就覺得他太厲害了”。

曾教授接受采訪回憶起曹原：“我實驗室出了很多位郭沫若獎，但曹原在其中還是顯得卓爾不群，非常特別。我們的研究以實驗為主，但曹原發(fā)的卻是理論文章。雖然在實驗選題、方向與寫作上我可給他指導(dǎo)，但在技術(shù)細節(jié)上無法手把手教他。曹原是如此的令人放心：只要把題目交給他就行，他一定能做出來！ 聰明人很多，曹原卻還主動。計算遇到困難，他永遠會想嘗試其他的軟件方法。曹原愛好廣泛，也喜歡計算機，什么都能搗騰，朋友圈經(jīng)常發(fā)天文觀測的照片。才氣過人的天才往往持才傲物，但曹原卻非常低調(diào)沉穩(wěn)，情商很高。他在我們實驗室時就很受歡迎。去年他曾回科大訪問，提到了研究的進展?？吹匠晒l(fā)表。我很高興！”

一位與曹原熟悉的少年班畢業(yè)生說：我們都覺得他可能成為下一個莊小威，這一點都不過分。他實在是太強了，以前在科大就是傳說級的人物。

Pablo Jarillo-Herrero教授與曹原發(fā)表的論文

1. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

2. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

3. Eugene J. Mele. Novel electronic states seen in graphene. Nature 2018. （本文為評論Jarillo-Herrero教授與曹原的文章）