中科大21歲博士一天連發兩篇Nature：實現石墨烯超導重大突破！

石墨烯似乎總能輕而易舉地成為最吸引眼球的「超級材料」。2018年3月5日，國際頂級期刊《Nature》主刊在其網站連發兩篇長文，對美國麻省（MIT）Jarillo-Herrero教授課題組有關石墨烯超導的最新成果予以報道。更值得注意的是，這兩篇重磅級文章的第一作者均為來自中國的21歲博士生曹原。

出生於四川的曹原年僅14歲即以669分的成績考入聲名赫赫的中科大少年班學院， 併入選「嚴濟慈物理英才班」。自小受益於「超常教育」的他僅用3年時間讀完了小學、初中與高中的全部課程，並在大學獲得本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金。可以說，年僅21歲的曹原獲此成就並不是意外。

Pablo Jarillo-Herrero（左）和Yuan Cao（右）

石墨和鑽石都是C的同素異形體，完全由碳原子構成，但二者內部原子排列方式的不同使它們擁有了不同的特性。 石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一種厚度只有一個碳原子大的二維材料。自石墨烯被發現以來，其諸多優異屬性一直令人印象深刻：它比鐵還要堅固，比銅的導電性還要好等等。

前段時間發表在《Nature Nanotechnology》上的研究結果就揭示到，當把兩層石墨烯相疊加後，所形成的雙層石墨烯在受到壓力時瞬間表現出令人驚奇的硬度。（厚度是A4紙的1/100萬，卻可輕鬆抵擋子彈穿射！硬度超過金剛石）

電子在單層石墨烯內運動所需的能量大約為eV量級。Herrero教授與曹原開創性地發現，通過將兩層自然狀態下的二維石墨烯材料相堆疊，並控制兩層間的扭曲角度，即可構建成為性能出色的零電阻超導體。此時，電子在雙層石墨烯材料間所需的能量量級則降低至meV，令人稱奇！

這一研究中最為關鍵之處在於雙層石墨烯材料的扭曲角度。當扭曲角度達到被稱為「魔角」的1.1°時，石墨烯層中的電子能帶結構不再對稱，超導性質也隨之顯現。其實，早有理論預測將2D材料層中的原子扭轉1.1°會呈現出一些有趣的現象，但這還是科學家們頭一次見證這一理論帶來的震撼之處。

在扭轉雙層石墨烯中的旋轉效應：a. 當雙層石墨烯被扭曲時，上層薄片被旋轉使得無法與下層薄片對齊，從而讓元胞（unit cell）得到擴展（紅色）。b. 對於小角度的旋轉，就會出現所謂的「摩爾紋」（moiré pattern），其中局部堆疊的排列呈周期性變化。

關於石墨烯材料導電能力的研究並不少見。實際上就在去年，科學家通過摻雜鈣（Ca）原子同樣激發了石墨烯的超導能力。然而，此次研究是第一次在不改變石墨烯組成的的情況下實現其超導特性，更可能實現P波超導性。

石墨烯材料作為一種非常規超導體，可能成為開發室溫超導體的關鍵之處。傳統超導體分為高溫超導與低溫超導，但這裡的「高溫」指的是在-196℃的液氮環境中（最高-140℃），超導所具有的特性，低溫超導則需要在-269℃的液氦環境中實現，成本高昂不適宜大規模應用。如果有哪種材料能夠在室溫下表現出超導電性，就可以為能量傳輸、醫用掃描儀和交通領域帶來革命性的改變。

室溫超導體無疑給未來發展帶來了新的憧憬。其不僅可應用於醫療設施、電網設備、電子產品等生活設施中，更在超級計算機、超級高鐵等前沿科技中大展身手。毫不誇張的說，這項研究打開了非常規超導體研究的大門，或將引發一場超導領域的新革命…

文/朱張航宇

參考文獻：Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices, Nature, doi:10.1038/nature26160

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