《Nature》再发两论文解密魔角石墨烯,95后曹原再做贡献

发布时间:2020-06-19   文章来源:   访问量:

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       6月11日,世界顶尖学术杂志《自然》第三次同期发表两篇有关魔角石墨烯的论文。“天才少年”曹原的名字再次出现。

       虽然这次他没有出现在第一作者的醒目位置,但这反映出曹原参与开辟的这个新兴方向确实吸引不少材料学同行加入,不断有拓展成果涌现。

       第一篇论文由以色列魏茨曼科学研究所和曹原所在的麻省理工学院(MIT)Pablo Jarillo-Herrero课题组合作完成,第二篇则来自美国普林斯顿大学。

       这两篇论文本质上在讨论同一个问题:之前研究已经发现,把两层上下堆叠的石墨烯扭出魔角(约1.1度)偏移,材料就会在低温下呈现出一系列奇妙的电子学状态,如超导体、关联绝缘体、拓扑体。那么,该如何从微观机制上理解这些相是如何出现的?


        以色列和MIT合作的论文通过测量局域电子压缩性,发现这些相起源于一个拥有很多能带的高能态,当载流子加入系统中,电子并非均等填充,而是通过一系列尖锐的级联相变完成,在莫尔晶格整数层附近表现出强烈的非对称跃迁。论文认为,这种电子偏好对称性的强烈破坏和狄拉克电子特征的回复,形成了魔角石墨烯的母态。


       普林斯顿的研究则使用高分辨率扫描隧道显微镜,确定随着电子填充魔角石墨烯会出现一系列光谱跃迁。每填充完整一个莫尔带,其化学势都会明显变化,低能激发发生重排。这种光谱特征是库伦相互作用造成的,且对垂直磁场的存在非常敏感。
      研究认为,这种级联跃迁描述了魔角石墨烯是如何从高温下的母态演变出低温下各种奇妙的相。
       可以看出,这两项成果针对魔角石墨烯的电子微观机制形成了互补的研究。因此,两篇论文草稿于去年12月同日上传到预印本网站,又在《自然》上同日正式发表。

魔角石墨烯

       超导是20世纪最重要的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。
      1908年,荷兰科学家翁内斯(Onnes)成功制备液氦,并在液氦温度下研究物质的热力学和电学性质。1911年,翁内斯发现汞的电阻在温度降到4.2K(-269℃)以下时变为0。他将此特性命名为超导性,并获得1913年的诺贝尔物理学奖。
      石墨烯是一种以单层碳原子组成的六角形蜂巢晶格材料。此前,科学家就发现了石墨烯的超导电性,但那只发生在它与其它材料接触时,而且可以用常规的超导电性解释。
       曹原与其博导Jarillo-Herrero尝试将两层石墨烯的角度发生偏转后,发现在特定的“魔角”下,石墨烯出现了不寻常的超导现象。

       为此,他们于2018年3月在《自然》上背靠背发表两篇论文介绍这项新奇的发现,并引发材料学界的关注。

    

       此时,曹原21岁,成为以第一作者身份发表《自然》论文的最年轻中国学者。
      今年5月,Jarillo-Herrero和曹原再次在《自然》上同期发表两文,报告关于魔角石墨烯的后续研究。
       在一篇论文中,他们用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置获得了处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像,首次为魔角石墨烯结构绘制图像,其角分辨率达到极高的0.002度。
      在令一篇论文中,他们通过对扭转角的控制,将魔角特性推广到其他二维研究体系,以调谐和控制电子—电子相互作用的强度,实现相似的物理行为。研究结果将为探索多平带双扭超晶格中扭角和电场控制的相关物质相提供理论依据。


       曹原1996年出生于成都,14岁时以669分的高考成绩进入中科大少年班。毕业后,曹原获得中科大本科生最高荣誉——郭沫若奖学金,并前往MIT攻读博士学位,进入Jarillo-Herrero课题组。

       他的导师评价道,曹原的实验技巧在研究中至关重要。发现魔角石墨烯后,曹原入选《自然》评选的2018年度影响世界十大科学人物。


资料来源:澎湃新闻,石墨烯资讯编辑整理。




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