不是后浪是海啸：麻省理工九五后曹原领衔，“魔角石墨烯”再度关注

●黄珊、杨一鸣

曹原

约2 年前，麻省理工学院物理学家Pablo Jarillo-Herrero 所带领的团队，首次发现只要将两层石墨烯旋转到特定的“魔法角度”相互叠加，它们就可以在零阻力的情况下传导电子。该发现被认为或是数十年来寻找室温超导体十分重要的一步。

《自然》连刊两文报道了团队的这一“魔角石墨烯”发现，第一作者为当时年仅21 岁的麻省理工学院博士生曹原。曹原因此开创性工作 入 选“2018 年 度十大人物”榜单，成为该领域的风向标人物。

2018 年的《自然》杂志十大人物封面图致敬“魔角石墨烯”研究

曹原于1996 年出生，籍贯四川成都，2010年考入中科大少年班，并入选“严济慈物理英才班”，是2014 年中科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金获得者。现为麻省理工学院电气工程与计算机科学系博士生，师从麻省理工学院物理学家Pablo Jarillo-Herrero。Pablo Jarillo-Herrero 教授同样因其“魔角石墨烯”研究获得2020 年巴克利凝聚态物理奖（Oliver E.Buckley Condensed Matter Physics Prize）、2020 年沃尔夫奖。

近日，Pablo 团队再度于《自然》发表他们在“魔角石墨烯”上的研究，曹原分别为一作和共同第一作者。最新的两篇背靠背文章，探讨用同样的方法应用于其他二维材料体系，继续完善“魔角石墨烯”相关的理论和实验研究。基于“魔角石墨烯”的一系列发现，有望在未来应用到诸如能源、电子、环境科学和计算机产业等领域。

在2018 年的研究中，Pablo、曹原团队将两层石墨烯在叠加并使其碳原子图案偏移1.1 度的角度，最后制备的材料竟然具有超导特性。尽管该系统仍需要冷却到绝对零度以上1.7度，但结果表明，它可能像已知的高温超导体一样导电，这已让物理学家兴奋不已。当时，马德里材料科学研究所物理学家Elena Bascones就表示，“如果这一发现得到证实，可能对理解高温超导十分重要”。斯坦福大学的物理学家、诺贝尔奖获得者Robert Laughlin 说，“我们可以期待在接下来的几个月里，会有疯狂的实验活动来填补蓝图中缺失的部分”。

得州大学奥斯汀分校的物理学教授Allan MacDonald 和博士后Rafi Bistritzer 最早在理论上预言了“魔角石墨烯”

果不其然，在Pablo、曹原团队的成果发布之后，“魔角石墨烯”实验得到多个团队的重复，并吸引到越来越多的物理学家投入到双分子层石墨烯神奇特性的研究之中，“魔角石墨烯”成为红极一时的全新方向，相关的成果接二连三地登上《科学》《自然》等顶级期刊。

通常而言，超导体大致有两种类型：常规的超导体，即其活动可以用超导的主流理论来解释；非常规的超导体，即不能用主流理论解释的。而根据麻省理工团队的研究，石墨烯的超导行为属于后者，并且与其他的非常规超导体——铜氧化物超导体的活动类似。

石墨烯一直是一种神奇的材料，具有令人惊讶的特性：这种由单层碳原子以六边形延伸构成的片状材料比钢还强、比铜导电性还好。它在与其他材料接触时，也曾表现出超导性，但这种行为可以用常规超导性来解释。而且，石墨烯这种材料比较简单，科学家已经对其研究得算比较透彻，目前不少相关研究正在聚焦如何大量制备稳定的、优质的石墨烯。所以，利用石墨烯来研究非常规超导现象，可以有效加快科学家实现室温超导的步伐。

现在，这支麻省理工团队带来了更多扩展性的“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”，曹原及其同事较为针对地探求了魔角石墨烯性质的可控性。研究团队采用了小角度扭曲的双层-双层石墨烯（TBBG）体系作为研究对象，并以此制作了双栅极高迁移率的器件投入实验，探求了扭转角度、外加电位移场和磁场对其性质的影响。从物理层面上来说，TBBG 由两层未旋转的伯纳尔堆叠（Bernal-stacked）的双层石墨烯组成，具有丰富的相图，并具有可调的相关绝缘体状态。实验结果显示，该体系对于扭转角度、外加电位移场和磁场都较为敏感，出现了明显的绝缘体控制开启和阻断的状态。而这些实验方法和结果或能在相似结构的二维材料上展开研究，并得出更多研究成果。

而在第二篇文章，团队关注的是扭曲角的无序问题。不同于前文，团队采用魔角双层石墨烯（MATBG）作为研究体系，他们从扭曲角的分布信息，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，绘制了局部变化图。在实验中发现的扭曲角的无序是之前没有识别的，并且能够具有改变局部价带结构以及产生局部电场的能力。而扭曲角的无序对于量子霍尔态的影响也意味着MATBG 的其他相关状态例如超导等，也可能因其发生转化。因为扭转角梯度产生的内部电场或能为光电或热电应用方向的原子层级扭转-范德瓦尔斯材料提供研究指导方向。

两项研究成果发布的今天，距离Heike Kammerlingh Onnes 发现超导现象已经过去了109 年，人们仍在探索低压、高温下实现材料超导性的方法并将其用于生活中，这个目标也是应用物理界的最重大的使命之一。科学家已经发现许多可以表现出超导性的材料，但几乎都离不开极低温的环境来维持这种特性。“魔角石墨烯”中存在的神奇超导现象开辟了研究高温超导的新可能。

Pablo Jarillo-Herrero 实验室此前制备的一个样品，用于测试石墨烯的物理特性

这个新兴领域现在也被称为“转角电子学”（twistronics）。《自然》曾以“How‘magic angle’graphene is stirring up physics”为题撰文报道过这股越刮越猛的“扭一扭”风潮，报道中，加州大学圣塔芭芭拉分校的凝聚态物理学家Andrea Young 说：“每个人都在尝试把自己最中意的材料叠放起来做旋转”。与此同时，试图解释这种现象的理论物理学家也在arXiv 预印本服务器上先后发表了100 多篇关于该主题的文章。该领域的每一次进展都让人兴奋不已，但正如俄亥俄州立大学物理学家Chunning Jeanie Lau 所言，还需要更多的实验以确定双层石墨烯实现超导的机制，是否正是高温超导体背后的同一机制。

那么，如果最后实验证明二者的机制不一样，实验的研究意义如何体现？对于这个问题，曹原曾回复称：“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(和近年非常火热的部分铁基超导相近)。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也是在理论上非常有意思、独特的。”