石墨烯超导重大发现（石墨烯的超导）

25岁天才少年曹原再发Nature，他为何能这么厉害？

Nature是世界上最有名望的科学杂志之一，首版于1896年11月4日。在科学研究领域中，很多最重要，最前沿的研究结果都是以短讯的形式发表在Nature上。能在Nature杂志上发表论文，说明这个人在某个领域处于顶尖水平。1996年，曹原出生于四川成都。在小时候他就喜欢捣鼓各种奇奇怪怪的东西。曹原在两年内就完成了他的初中和高中课程。 2010年正是他14岁时，被选如最杰出的“严济慈物理人才班”，这里的课程主要是培养学生扎实的物理基础。即使在天才青年班，曹原依然十分优秀。他经常会问一些奇怪的问题，并与教授讨论。18岁时获得了中国科学技术大学的本科学位，之后前往美国的麻省理工学院进行深造。2018年，22岁的曹原因发现石墨烯超导角度轰动国际学界，开辟了凝聚态物理研究的新领域，成为Nature杂志创刊149年来以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。2018年，曹原曾一天连发2篇Nature。2020年5月7日，他再次一天连发2篇Nature。 本次在Nature杂志上发论文已经是曹原的第五篇了。

对科研充满好奇心

世界上还有很多未知的领域，等待着人们去探索，但是往往普通人是发现不了这些的，一般都是科学家进行研究之后得出的结论，有时候甚至是猜想。所以要在未知的领域探索出一星半点是很难的。曹原从小开始就喜欢拆东西然后看里面的构造，甚至自己搭建了一个化学实验室，在里面做各种实验。这些都离不开他的好奇心，好奇心驱使着他学习更多的知识，当他学习到更深层次的知识就发现原来自己知道的只是冰山一角。

对科研充满热爱

在普通人眼里，科研毫无疑问是枯燥的。2017年，曹原再做实验过程中偶然发现石墨烯具备非常规的超导电性，这让他很惊讶，这个发现勾起了他浓厚的兴趣。 之后的日子里，曹原为了这个“不起眼”的现象花费了不计其数个日夜，难以想象他要做多少次实验，查多少次资料。除了热爱真的找不出一个词来形容这么令人敬佩的行为。

中国天才少年留美成博士，一发现让世界为之而瞩目，到底是什么？

我国曾经有一个95后的天才少年，他是个留美博士，去了美国之后，他的这一举动让世界各国为之瞩目。

这位天才少年名叫曹原，出生于1996年，成都人。曹原从小就被别人称为天才，他也没有辜负天才这个荣誉称号，11岁的时候就以非常优秀的成绩，得到了深圳一个重点学校的录取通知书，他只用了短短三年的时间，就学完了别人7年才能研究完的课程。2010年，14岁的曹原进入中科大少年班，成为了别人眼中的焦点人物，但是曹原却认为自己的天赋，还没有完全发挥出来，他的成绩肯定不止于此，为了获得更高的成就，他在中科大少年班里努力学习，一直名列前茅。上了大学之后，曹原的学习速度依旧没有变慢。很快就完成学业，而且还考入美国的麻省理工大学。

离开祖国以后，他在麻省理工大学，认真研究了一段时间，成功获得博士学位。期间，他独自进行科学活动，还发现了石墨烯超导原理，曹原的巨大发现为世界各国节省了上千亿美元的成本。因为这个研究成果，他得到了媒体的大肆报道，在美国的科学界有了一席之地，很多人都觉得特别惊讶，为何曹原如此年轻，就能获得这么大的成就？

有专家表示，曹原能获得这么高的成就，一方面是因为他的天赋确实很好，有着远超常人的学习能力。另一方面则是因为他的学习态度比较认真，一直在努力的进行研究，没有因为失败而放弃。无论是谁想要获得成功，都要付出巨大的努力。如果只是依靠天赋的话，或许能比常人优秀一些，但是绝对没有办法取得历史级的突破。曹原的发展之路，到现在远远没有结束，他未来或许会取得更高的成就，我们拭目以待。

大一 | 解读上两次Nature的超导「魔角」石墨烯

一个名叫曹原的在MIT读博的21岁男孩以第一作者一天发了两篇Nature，曾经在中科大少年班。知乎上很多人说，“和曹原是初中同学这件事，我可以吹一辈子！”“和他是本科同学，我们的存在就是为了衬托他的优秀。”“你会发现人与人之间的差距和人与狗的差距还要大。”

然后前两天一个理科选修课的作业是pre一篇Nature/Science上的文章，我们就选了一篇Nature的编辑觉得曹原这两篇文章非常有意思遂为他又写了一篇NewsViews版面的文章：Novel electronic states seen in graphene.

毕竟是做了很多准备而且觉得有一些科普还是不很直白吧，遂结合文章和查到的一些其他科普文整理了一下我们一群大一学生的「成果」，也算是对自己努力的纪念了（毕竟我是个文科专业的学生啊！完全非功利之心的纯粹努力啊！）。仅需高中理化基础即可！

一、超导体

（1）超导的发现

1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，汞在-268.98℃（4.2K）时电阻消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

（2）按解释的理论分类：

常规超导体 V.S 非常规超导体

如果超导的机理可以用常规理论解释，就是常规超导体，如果不能，就是非常规超导体。

（3）按材料达到超导的临界温度分类：

高温超导体 V.S 低温超导体

高温超导体是具有高临界转变温度（Tc）能在液 氮 温度条件下工作的超导材料。成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质，具有明显的层状二维结构。

低温超导体具有低临界转变温度（Tc＜30K），在液 氦 温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )。

（4）高温超导，目前包括铜氧化物高温超导和铁基高温超导两大类材料

但它们都是 非常规 高温超导材料——并不能用常规理论解释—— 高温超导机理至今仍然是凝聚态物理领域悬而未决的重大谜题之一 （涉及最基本的物理问题：在多体关联电子体系中的集体量子凝聚行为，目前解释这个现象的凝聚态物理理论框架，尚未完全建立）。

（5）应用：

1、军事上即聚能武器

2、超导发电机。几乎没有能量损失，减小体积，提高发电效率。这在国防、科研、工业上具有极大的意义。

3、超导电磁推进系统，高航速、低消耗的舰艇。

4、医用超导磁体。

5、超导计算机。

二、石墨烯

石墨烯（Graphene）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。可以理解为单层石墨啦。

每一个碳原子都有四个价电子，其中三个通过sp²杂化轨道和别的碳原子联结成键，剩下一个p轨道的电子在与该层石墨烯垂直的轨道上“运动”。（它并不在任何“一层石墨”上，可以自由移动，遂石墨能导电。）

三、关于研究逻辑

之所以叫“逻辑”，是因为本文的理论我们都没怎么看懂。（但这并不意味着没有收获或意义。）

总逻辑线：按“魔角”角度旋转的双层石墨烯中发现了新型电子状态，通过一顿操作成功模拟了高温超导中的物理状态。

具体来说：

首先，按魔角（magic angle）旋转两层石墨烯（方法：拉堆技术tear and stack technique）。

于是改变了两层石墨烯的狄拉克锥能带杂化效果，即，在原本完美的狄拉克锥上打开一个 能隙 并使狄拉克点上的 费米速度 被重整化。

这里的能带的杂化，我们的理解和轨道杂化是有相通之处的：石墨烯的每个碳原子有4个价电子，其中3个以sp2杂化轨道成键和另外3个碳原子相连，剩下一个电子在与石墨烯平面垂直的p轨道，两层石墨烯经过旋转，那么两层石墨烯之间的电子轨道还会有神奇的杂化，轨道的杂化带来能量的杂化，用「图」来表示就是能带的杂化。

能带杂化的变化效果，也就是随着旋转角度的改变，原本呈锥形（和狄拉克方程有关）的能带图形改变了。

关注到旋转两层石墨烯的另一效果：改变「费米速度」。虽然并不知道费米速度是什么，但总之让费米速度变成零的角度就是“魔角”。

按照魔角旋转，会产生两个现象：扩展元胞摩尔纹。

此处的元胞和晶胞的概念有些类似，即不断重复的最小单元（此处为菱形）。

好叭，除了扩展元胞，还有一个现象就是摩尔纹，也就是上述明明暗暗的波纹。

这种状态下，两层石墨烯之间的电子（就是那个可怜兮兮没有成键的电子）就处在一种全新的状态了。

这个状态大概是什么样子的呢0.0？曹原给了一张图：

接着，曹原的团队通过静电门技术连续改变石墨烯中的载流子浓度，发现了两个与非常规超导体的相似点。

【相似点一：莫特绝缘体】

在讲这个相似点之前先回顾一下之前说过的超导体分类：常规超导体非常规超导体。前面还提到了一个能带理论，它就是一个能解释常规超导体但是不能解释非常规超导体的常规理论。它的观点之一就是能带全满的话不导电， 能带半满就导电 。这个填满能带的东西（应该）就是载流子。假设能带全满的时候的载流子浓度是ns，那么半满就是ns/2.

然后看下图：

从n从大到小（由两边向中间）这段连续变化的过程中，我们可以发现在ns区域，也就是能带全满填充的时候，电导为零，也就是绝缘，这是符合能带理论的；但是在ns/2区域，能带半满填充的时候，又出现了一段绝缘的平台，这就是不符合能带理论的（如前所述，按能带理论，能带半满是可以导电的）， 不符合能带理论的绝缘体被称为莫特绝缘体 。 莫特绝缘体又是高温超导材料的 母体材料 ，于是这就构成了魔角双层石墨烯与高温超导体的第一个相似点。

曹原就觉得，那既然你和高温超导体这么像，那我就像对高温超导体一样对待你就好了嘛。于是他就继续调节载流子浓度、降温，从而使材料产生了超导电性。这也是魔角双层石墨烯与高温超导体的第二个相似点。

【相似点二：超导电性】

为什么相似呢？按照我们读出来的内容，归纳了两个原因。

| 原因一 |

莫特绝缘态的双层石墨烯 不同载流子浓度下出现的 抛物线型超导区 和 高温超导体的电子态相图如出一辙。

| 原因二 |

超导态双层石墨烯和莫特绝缘体都受温度和磁场影响。

这三幅图证明了超导态双层石墨烯超导性受温度和磁场影响。

d图，外加磁场大小为0T。看红线对应的部分，随着温度的升高，依次经历了黄色的SC（超导态）和蓝色的Mott（莫特绝缘态），可见超导态双层石墨烯超导性受温度影响。e图，外加磁场大小为0.4T。看红线对应的部分，只有Mott（莫特绝缘态），SC（超导态）消失。f图，外加磁场大小为8T。看红线对应的部分，连Mott（莫特绝缘态）都消失了，完全恢复金属导电性。可见超导态双层石墨烯超导性受磁场影响。而一个纯正的莫特绝缘体，它也是温度升高会恢复金属态，同时4T以上的磁场逐渐恢复导电性，直到8T磁场下完全恢复正常金属导电性的。所以二者是非常相似的。

综上，从母体的莫特绝缘态，到二维超导态，魔角石墨烯都神奇地模拟了高温超导中的物理。但是曹原一开始并不是为了研究高温超导而扭转石墨烯的，他只是很好奇扭转两层石墨烯之后会发生什么。结果竟然发生了这么神奇的事，连发两篇nature。

四、意义与质疑

意义：第一个纯碳基2D超导体提供高温超导机理较简单的研究平台

铜氧化物超导这类非常规超导是最有可能实现室温超导的，目前已经实现零下140度左右实现超导，但铜氧化物超导的系统又很复杂，且实验条件需要花费大量的劳力物力，所以很难进行有效的下一步研究，所以铜氧化物为代表的高温超导体沦为难以解释的非常规超导体。然而——

Our results also establish MA-TBG as thefirst purely carbon-based 2D superconductor and, more importantly, as a relatively simple and highly tunable platform that enables thorough investigation of strongly correlated physics （强关联体系，也就是解释高温超导机理的关键）.

意义：虽低温但低载流子浓度，可能带来高温超导新突破。

虽然其超导温度仅有1.7 K，尚且低于金属掺杂的少层石墨烯。然而对应的载流子浓度很低(-1.4×10^12 cm-2)，在MoS2体系涉及的载流子浓度为7×10^13 cm-2，高温超导体中将更高几个数量级。如此低的载流子浓度尚且能够实现超导，已属不易。别人学10000年考了100分，双层石墨烯学100年考了20分，还是很有潜力的。

质疑：不一定是莫特绝缘体的状态，双层石墨烯超导体和非常规高温超导体的超导机制不一定相同。

诺贝尔大佬斯坦福大学的物理学家Robert Laughlin 认为，“目前还不清楚是否在铜氧化物超导体中出现的所有行为都会发生在石墨烯超导体中，所以新的相关实验需要开展，才能获得大家的认可。”也就是说，本来曹原团队的想法是，铜氧化物之类的高温超导体非常难研究（需要很极端的实验条件，例如很强的磁场，才能展开研究），但是双层石墨烯惊人地展现出和高温超导体非常相似的性质，似乎隐隐地告诉世人，我和正经的高温超导体有同样的超导机理，研究我只要电场就好啦，比铜氧化物方便多了呢。然而，有物理学家表示，用别的已有理论完全可以解释双层石墨烯的这个现象，表明不一定是和高温超导一样的机理。

所以，曹原表示，即使最后证明二者的机制不一样，“在文章中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。”

物理学家们已经在黑暗中徘徊了30年，试图解开铜氧化物超导的秘密，我们许多人认为，灯才刚刚打开。

四、参考资料

[1] Cao, Y. et al. Nature (2018).

[2] Cao, Y. et al.Nature (2018).

[3] E.J. Mele,Novel electronic states seen in graphene, Nature 2018.

[4] 一篇你能搜到的中文解读

[5] 另一篇你能搜到的中文解读

[6] 依然是一篇你能搜到的中文解读

天才少年发现石墨烯超导，一旦应用在输电，会不会超越特高压工程？

中国特高压输电已居世界前列，这是人所共知的事实。天赋异禀的男孩发现石墨烯常温超导，是否会导致国内在特高压输电方面的巨额投资缺口?石墨烯是由蜂窝晶格的碳原子构成的二维碳纳米材料，它具有优异的光学、机械和电学性能，在高强度材料中，未来的超导将有极其广泛的应用，虽然它具有优异的性能，到目前为止，由于生产过程，以及实际应用和工业发展都充满了渺茫。毕竟，随着室温超导材料的普及，所有的电气化线路都没有电阻，所以增加的损耗电压是没有用的。

石墨烯超导性是利用石墨烯的零电阻在一定条件下导电的能力。我们知道，在传输过程中，一些电能会在不知不觉中被消耗掉，产生这种消耗的重要因素是电阻。阻力越大，失电越多;相反，电阻越小，失电越少。但在超导体传输实验中，电阻几乎可以达到0!正因为如此，为了尽可能地提高电能的利用率，超导体的研究受到了世界各国的高度重视。在超导体中，石墨烯是一种理想的新材料。

石墨烯本身是一种二维材料，由一层碳原子组成，也就是碳原子的六边形。这种结构与超导体需要的狄拉克锥能带结构高度一致，这使得石墨烯成为成为超导体的必要条件。不幸的是，石墨烯本身并不是超导的。如果你想用它来研究超导性，有两种方法。一种是使用“堆拉”技术将两层石墨烯扭转叠加，另一种是在自然界中使用的掺杂。早在2018年3月5日，来自中国的天才曹源就向大自然展示了双层石墨烯叠加扭转的可行性。在实验中，Cao加入了两层石墨烯，并将它们扭曲了1.1°，创造出了神奇的角度。这种神奇的角度使石墨烯达到极好的零阻状态，使其具有超导性，但这种方法所实现的超导性存在诸多环境限制。1.7K的低温是最棘手的要求之一。这里的1。7 k和我们通常说的1。7℃不一样。

在绝对温标中，测量单位为K，绝对零度K等于-273.15°C!在此基础上,我们可以计算出1.7 k转换是-271.4℃,我们知道了南极的最低气温只有-80.6℃,所以它是不可能达到“魔角”实验的温度在自然条件,所以是不可能使用石墨烯超导电力传输。

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