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      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
      來(lái)源:中國粉體技術(shù)網(wǎng)    更新時(shí)間:2018-03-07 09:35:30    瀏覽次數:
       
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!

        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(cháng)文形式在網(wǎng)站刊登了麻省理工學(xué)院Jarillo-Herrero教授課題組石墨烯超導重大發(fā)現。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(lái)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石墨烯超導重大發(fā)現
        范德華異質(zhì)結構是二元構筑單元垂直堆疊而成,在二維材料豐富的功能性基礎上,可以實(shí)現更多的工程化操縱。其中一個(gè)方向,就是通過(guò)控制層間扭曲角度,來(lái)調控范德華異質(zhì)結的電子結構。
        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)現新的電子態(tài),可以簡(jiǎn)單實(shí)現絕緣體到超導體的轉變,打開(kāi)了非常規超導體研究的大門(mén)。
        
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
      Pablo Jarillo-Herrero(左)和Yuan Cao(右)
        Nature雜志在2018年3月5日以背靠背的長(cháng)文形式,在網(wǎng)站刊登了這項還沒(méi)來(lái)得及排版的重大研究成果,并配以Eugene J. Mele的評述。
        
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
      圖1. 不同角度扭曲的雙層石墨烯
        Cao等人發(fā)現,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(dòng)。對于物理學(xué)家而言,電學(xué)行為通常是由能量主導。而在這項研究中,單層石墨烯內原子間電子移動(dòng)有關(guān)的能量在eV量級,而在層間的電子移動(dòng)涉及的能量量級最多在幾百meV。
        要想解開(kāi)這個(gè)謎題,對稱(chēng)性是關(guān)鍵!
        對于結構高度有序的單層石墨烯而言,電學(xué)性能取決于對稱(chēng)性。研究人員制備了旋轉扭曲的雙層石墨烯,通過(guò)電子之間的相互作用來(lái)控制整個(gè)體系的電子態(tài)。旋轉產(chǎn)生的位錯使石墨烯層中的電子能帶結構不再對齊,單胞變大。
        
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
      圖2.扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結構
        研究人員發(fā)現,扭曲的雙層石墨烯會(huì )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(lái)源于電子之間的強排斥作用。另一種是超導態(tài),來(lái)源于電子之間的強吸引作用而產(chǎn)生零電阻。
        當旋轉角度小到魔角時(shí)(<1.05°),扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區域會(huì )形成窄電子能帶,電子相互作用效應增項,從而產(chǎn)生非導電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子,就可以成功轉變?yōu)槌瑢B(tài)。
        
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
      圖3. 石墨烯超晶格中的二維超導
        這項研究成果,為超導研究帶來(lái)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!
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
       
      重磅:Nature連刊三文,石墨烯超導重大突破!
        曹原近照(來(lái)自其Facebook主頁(yè))。
        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(lái)自中國。今年年僅21歲,本科畢業(yè)于著(zhù)名的中科大少年班。
        根據報道,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(shí)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(shí)代起,曹原即受益于“超常教育”。據當時(shí)的媒體報道:曹原2007年到深圳耀華實(shí)驗學(xué)校讀書(shū),該校主管超常教育的副校長(cháng)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(shí)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(yù)獎——郭沫若獎學(xué)金。
        據中科大丁澤軍教授回憶,曹原是“很聰明的家伙!本科時(shí)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(méi)花多少時(shí)間,也就是一個(gè)寒假就做完了”。
        中科大物理學(xué)院教授曾長(cháng)淦也證實(shí)“這是在我實(shí)驗室混過(guò)的娃”。曾長(cháng)淦回憶“(本科)在我們實(shí)驗室還發(fā)了一篇PRB理論文章呢。當時(shí)就覺(jué)得他太厲害了”。
        曾教授接受采訪(fǎng)回憶起曹原:“我實(shí)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(shí)驗為主,但曹原發(fā)的卻是理論文章。雖然在實(shí)驗選題、方向與寫(xiě)作上我可給他指導,但在技術(shù)細節上無(wú)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(lái)! 聰明人很多,曹原卻還主動(dòng)。計算遇到困難,他永遠會(huì )想嘗試其他的軟件方法。曹原愛(ài)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(guān)測的照片。才氣過(guò)人的天才往往持才傲物,但曹原卻非常低調沉穩,情商很高。他在我們實(shí)驗室時(shí)就很受歡迎。去年他曾回科大訪(fǎng)問(wèn),提到了研究的進(jìn)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(shuō):我們都覺(jué)得他可能成為下一個(gè)莊小威,這一點(diǎn)都不過(guò)分。他實(shí)在是太強了,以前在科大就是傳說(shuō)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)
        來(lái)源:石墨邦
        
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