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編輯：LQ
對(duì)曹原來(lái)說(shuō)，2021年4月7日并沒(méi)有什么不同，只不過(guò)又發(fā)了一篇Nature而已。
這是他的第7篇Nature論文，距離上一篇只隔了一周時(shí)間。
3月31日，曹原與團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表論文，曹原是以共同一作+通訊的身份出現(xiàn)的。
果然，雙發(fā)才是「曹原速度」。
2018年和2020年曹原分別兩次「背靠背」連發(fā)2篇Nature.
第一次，2018年3月5日，Nature連刊2篇曹原的論文，當(dāng)時(shí)Nature來(lái)不及排版，迅速以「背靠背」形式刊登了這兩篇關(guān)于「轉(zhuǎn)角石墨烯」的重大成果，文章還配以第三篇文章作為評(píng)述，足見(jiàn)這一發(fā)現(xiàn)的非凡意義。
在這兩篇論文中，曹原發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會(huì)產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高為1.7K，而這約1.1°的微妙角度就被稱(chēng)為「魔角」，從此，「魔角石墨烯」進(jìn)入科學(xué)視線(xiàn)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界為之震動(dòng)，這開(kāi)辟了「凝聚態(tài)物理」的新領(lǐng)域。
7篇nature，「石墨烯駕馭者」
2018年，曹原入選Nature「2018年度科學(xué)人物」，位列榜首！
Nature評(píng)：讓原子厚度碳片層成為超導(dǎo)體的博士研究生。
他也是Nature創(chuàng)刊149年來(lái)年齡最小的入榜者。
圖源：Corinna Kern for Nature BY ELIZABETH GIBNEY
為此，他還收獲了一個(gè)生動(dòng)的名字，叫「石墨烯駕馭者」（Graphene Wrangler），聽(tīng)起來(lái)竟然有種駕馭宇宙魔方的感覺(jué)。
那么，他是如何成為「石墨烯駕馭者」的呢？
我們可以從他的7篇Nature了解一下。
2018年，讓曹原「一戰(zhàn)成名」的那兩篇論文描述了關(guān)于原子厚度碳片層奇異行為。
2014年，曹原中科大畢業(yè)后，在導(dǎo)師的推薦下前往MIT攻讀博士，并加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行將碳片層堆疊和旋轉(zhuǎn)至不同角度的嘗試。
曹原的主要工作是考察在堆疊的雙層石墨烯中，如果將其中一層相對(duì)另一層旋轉(zhuǎn)極小的角度后會(huì)發(fā)生什么。根據(jù)一種理論預(yù)測(cè)，這種扭曲會(huì)極大地改變石墨烯的行為，但許多物理學(xué)家對(duì)此持懷疑態(tài)度。曹原決心創(chuàng)造出這種以微妙角度扭曲的雙層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了一些奇異的現(xiàn)象。
對(duì)石墨烯施加微弱的電場(chǎng)并冷卻至絕對(duì)零度以上1.7度時(shí)，會(huì)讓能導(dǎo)電的石墨烯變成絕緣體（Y. Cao et al. Nature 556, 80–84; 2018）。這一發(fā)現(xiàn)本身不可謂不令人驚訝。
論文：https://www.nature.com/articles/nature26154
曹原說(shuō)：「我們已經(jīng)料到這會(huì)對(duì)整個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)巨大影響。但更好的消息還在后面：只需稍微調(diào)整一下電場(chǎng)，扭曲的雙層石墨烯就能成為一個(gè)超導(dǎo)體，讓電子實(shí)現(xiàn)零電阻流動(dòng)」（Y. Cao et al. Nature556, 43–50; 2018）。他們?cè)诘诙€(gè)樣本中觀(guān)察到了同樣的現(xiàn)象，最終確認(rèn)了自己親眼所見(jiàn)的事實(shí)。
論文：https://www.nature.com/articles/nature26160
通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)就能讓原子厚度的碳材料產(chǎn)生復(fù)雜的電子態(tài)，這一研究成果讓物理學(xué)家爭(zhēng)相對(duì)其它扭曲二維材料的奇異行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一些物理學(xué)家甚至希望石墨烯能夠闡明復(fù)雜材料為何會(huì)在更高的溫度下成為超導(dǎo)體。
哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家Cory Dean表示：「我們接下來(lái)可以做的事情太多了，眼前的機(jī)會(huì)巨大。」
成功將平行的雙層石墨烯扭曲至約1.1°的“魔角”需要一些試錯(cuò)，但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero認(rèn)為曹原的實(shí)驗(yàn)技巧至關(guān)重要。
曹原原創(chuàng)的方法先將單層石墨烯撕裂，組成方向相同的雙層石墨烯，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)。曹原還通過(guò)調(diào)整低溫系統(tǒng)，達(dá)到了能讓超導(dǎo)態(tài)更為顯著的溫度。
2020年5月6日，時(shí)隔兩年，曹原再次Nature兩連發(fā)，講述了團(tuán)隊(duì)在「魔角石墨烯」研究取得的新進(jìn)展。
論文一中，作者提出了基于小角度扭曲雙層-雙層石墨烯（TBBG）高度可調(diào)的相關(guān)系統(tǒng)，由兩片旋轉(zhuǎn)的Bernal堆疊雙層石墨烯組成。該系統(tǒng)呈現(xiàn)豐富相圖，具有可調(diào)諧相關(guān)絕緣體態(tài)，對(duì)扭轉(zhuǎn)角和電位移場(chǎng)的應(yīng)用都高度敏感。
作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明了在扭曲范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)可調(diào)與電子關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)研究的可能性。
這種新穎的扭曲角的自由度和控制在其他二維系統(tǒng)中，也應(yīng)該是通用的，也可能會(huì)表現(xiàn)出類(lèi)似的相關(guān)物理行為，讓調(diào)諧和控制的電子-電子相互作用的強(qiáng)度的技術(shù)成為可能。
論文二中，作者對(duì)扭曲角的分布信息做了進(jìn)一步探討，解釋了Twisted angle disorder對(duì)量子霍爾效應(yīng)（QHE）的影響。
魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）超導(dǎo)性能關(guān)鍵取決于中間層扭曲角（θ）的大小。作者使用納米級(jí)針尖掃描超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID-on-tip），獲得處于量子霍爾態(tài)的朗道能級(jí)的斷層圖像，并繪制了局部θ變化圖。
論文確立了θ紊亂作為一種非常規(guī)類(lèi)型的紊亂的重要性，使扭曲角梯度能夠用于「帶結(jié)構(gòu)」工程，實(shí)現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象和器件應(yīng)用中的柵極可調(diào)內(nèi)置平面電場(chǎng)。
2021年2月1日，曹原第5次以一作+通訊作者的身份在Nature上發(fā)文。
在曹原和其導(dǎo)師發(fā)現(xiàn)了「雙層石墨烯」能產(chǎn)生超導(dǎo)性后不久，也有人在思考，三層、四層甚至更多層的石墨烯是否也有超導(dǎo)的奇跡發(fā)生？
對(duì)此，他的導(dǎo)師Pablo鼓勵(lì)道：「Why not, let’s give it a try and test this idea!」
曹原與團(tuán)隊(duì)成員將單層游絲石墨烯薄片小心地切成三個(gè)部分，并將每個(gè)部分以精確角度彼此堆疊，設(shè)計(jì)了三層石墨烯結(jié)構(gòu)。
三層結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)跨度為幾微米（大約是我們頭發(fā)直徑的1/100），高度為三個(gè)原子。
研究小組將電極連接到結(jié)構(gòu)的兩端，并通過(guò)電流，同時(shí)測(cè)量材料中損失或散發(fā)的能量。
看不到有能量消散，這意味著它是超導(dǎo)體。
鏡像對(duì)稱(chēng)MATTG中的電子結(jié)構(gòu)與強(qiáng)超導(dǎo)性
3月31日，曹原在Nature發(fā)表了其第6篇論文。
在這篇論文中，MIT的Jeong Min Park、曹原等人利用同時(shí)進(jìn)行的熱力學(xué)和輸運(yùn)測(cè)量，研究了MATBG的破缺對(duì)稱(chēng)性多體基態(tài)及其非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，也使魔角石墨烯的理論和實(shí)驗(yàn)都更趨近于一個(gè)統(tǒng)一的框架，為我們開(kāi)發(fā)新型的量子材料，帶來(lái)了更多可能。
最后，發(fā)表于3天前的這篇論文是關(guān)于魔角石墨烯中的Pomeranchuk效應(yīng)的熵證據(jù)。當(dāng)前相關(guān)態(tài)的雜化特性和能量尺度的大分離對(duì)于雙層扭曲石墨烯中相關(guān)態(tài)的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)具有重要意義。
這篇論文和7天前的那篇可謂是「英雄所見(jiàn)略同」，研究的都是魔角石墨烯體系中電子的類(lèi)Pomeranchuk效應(yīng)。
他們是談起物理手舞足蹈的人
7篇Nature，石墨烯駕馭者，Nature年度人物，Nature創(chuàng)刊以來(lái)年齡最小入選者......
這些形容詞都不足以描述曹原和他的研究。
他只是一個(gè)專(zhuān)注于科研的學(xué)者。
這個(gè)出生于96年，用一年時(shí)間學(xué)完小學(xué)六年級(jí)和初一的課程，初一讀了一個(gè)月，初二讀了三個(gè)月，初三不到半年就參加了中考，14歲考入中科大少年班的年輕人只是說(shuō)，「我不覺(jué)得自己比同齡人聰明多少。」「我只是跳過(guò)了中學(xué)里一些無(wú)趣的部分。」
2010年，14歲的曹原考入中科大「嚴(yán)濟(jì)慈物理科技英才班」，是嚴(yán)濟(jì)慈班第一屆學(xué)生。
和曹原同班的還有量子計(jì)算原型機(jī)「九章」研發(fā)團(tuán)隊(duì)最年輕成員鄧宇皓，7次在國(guó)際核心期刊發(fā)表研究論文的任亞飛。
嚴(yán)濟(jì)慈班的錄取標(biāo)準(zhǔn)同樣是不唯成績(jī)論，關(guān)鍵要有「興趣」，要找「談起物理手舞足蹈的人」。
同樣，前不久清華公布了「丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃」，不用高考，初三可報(bào)，在被問(wèn)及「領(lǐng)軍人才」應(yīng)該具備什么素質(zhì)時(shí)，丘成桐先生表示：要有「好奇心」，想學(xué)好數(shù)學(xué)。
