石墨烯神奇「魔角」模擬出奇妙高溫超導

近日，世界頂級科技期刊《自然》連刊兩文，刊登了麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero教授課題組關於石墨烯超導的重大發現，該研究提出，當兩層石墨烯以一個「魔角」扭曲在一起時，就能在零電阻下導電。

這一研究突破很快引發學界關注。而更讓國人關注的，是該文第一作者為從深圳走出的22歲「天才」曹原。近日，南方日報記者採訪多名專家獲悉，此次研究創造性在於，用簡單的結構實現了超導現象，而且機制與高溫超導非常相似，雖然目前無法確定該系統與高溫超導機制一樣，但結果表明，此次發現對於理解高溫超導電性至關重要。

石墨烯超導並非新課題

超導，顧名思義就是超級導電。1911年，荷蘭物理學家昂內斯發現，當汞被冷卻至接近絕對零度（零下273.15攝氏度）時，汞的電阻突然消失，電子可以通行無「阻」。隨後，他又發現多種金屬和合金在低溫條件下都具有與汞相類似的電阻消失的特性，這一「零電阻狀態」即超導電性。

此後，物理學家一直試圖解開超導的秘密，不斷尋找超導材料，以應用在日常生活之中。實際上，生活中處處都是超導材料，例如鋁、鈣、鉛等。此外，一些非金屬材料在高壓下也是超導體，例如硅、磷等。不過，在實際生活中很少用到這些材料的超導特性，因為大多數材料只有在接近絕對零度時，才會轉變為超導體。

上世紀80年代，華人科學家朱經武、吳茂坤以及中國科學家趙忠賢等人研發出了高溫超導體，將超導體的最高臨界溫度提高到了零下108攝氏度附近。不過，這裡所指的「高溫」，是相對意義上的。

石墨烯超導並不是一個新課題。中國科學院物理研究所副研究員羅會仟說，科學家們此前已經開始研究石墨烯的超導電性，石墨烯超導特性的實現過程，還是通過將其摻雜或者放入到超導材料中。

神奇「魔角」催生奇妙現象

發表在《自然》期刊的兩篇論文，刊登了麻省理工學院的物理學家Pablo Jarillo—Herrero和他的團隊課題組關於石墨烯超導的重大發現。據悉，在實驗之初，團隊想要探索的是被稱為「魔角」的方向性會如何影響石墨烯，而不是為了研究超導電性。

實驗團隊認為，若石墨烯二維材料不同層間的原子以特定的角度偏移，可能會誘發電子在薄片中通過，並以有趣的方式來作用——然而，他們並不知道究竟會是什麼方式。

作者利用他們之前發明的「拉堆技術」，成功將兩層石墨烯經過「扭轉」後疊套在一起，形成扭曲的雙層石墨烯結構，當碳原子間的排列呈1.1度，這個角度就是所謂的「魔角」。

在雙層石墨烯碳原子間排列成「魔角」時，讓人意想不到的情況發生了。論文作者提出，他們在對石墨烯的導電性和其帶電粒子密度的測量中發現，結果顯示非常類似高溫超導母體材料中的莫特絕緣體行為。接下來，再對其稍微施以微弱的電場，以在系統中增加一點額外的電荷載子，它就會成為超導體。

而且，在莫特絕緣體兩側不同載流子濃度下，均出現了拋物線型的超導區，這和高溫超導的電子態相圖如出一轍，這進一步證明了該材料或許擁有超導電性機制。

從母體中的莫特絕緣態，到摻雜樣品中的二維超導態，「魔角」石墨烯都神奇地「模擬」了高溫超導中的物理現象。

這一研究結果顯示，石墨烯的超導行為表現出一些與高溫超導相似的屬性。儘管石墨烯要在超低溫下才會表現出超導電性，但它僅需電子密度是常規超導體的萬分之一，就能在相同溫度下獲得超導能力。

或可揭開超導的真相

論文作者在某網站發表文章指出，此次研究的主要意義在於，「魔角」石墨烯的發現，提供了一個相似但更加可調控的體系研究高溫超導問題，並供物理學家研究。

中科大物理學院教授曾長淦曾是曹原的指導老師，他說，石墨烯是一種非常簡單的結構，對於傳統的超導而言，它很輕，軟而堅固，是由碳元素組成的單質，在這種情形裡面對於研究它的超導機制是非常有幫助的，方便做一些研究，「基於石墨烯的研究我們可以揭開超導的真相」。

羅會仟表示，一般來說，為了探索超導電性的機制，物理學家通常需要將材料暴露在極強的磁場中，難度非常大。而對於石墨烯而言，物理學家只需要簡單地調整電場就能達到同樣的效果，基於石墨烯系統較為簡單，比銅氧化物更容易研究，因此它們將更有益於超導電性的探索。

曾長淦說，目前這一研究仍停留在實驗階段，「它的主要價值還是物理上的價值，它有助於我們去尋找真正的高溫超導體」。有業內人士表示，如果一旦確認石墨烯與高溫超導的機制相同，或許可為了解高溫超導的機制打開一扇大門。

22歲的論文第一作者曹原：

探究學習能力強 在家曾建實驗室

論文刊發後，22歲的第一作者曹原也引起眾多關注。曹原1996年出生於成都，3歲隨父母遷入深圳。2007年9月，因成績突出，曹原被選拔進入深圳耀華實驗學校。據他的中學老師回憶，曹原在基礎教育階段就已展露了非同尋常的科學天賦。

曹原的中學物理老師黃佳堂記得，中學階段的曹原是個活潑淘氣的男孩，動手能力非常強。中學階段，曹原還在家裡搭了一個小實驗室，併購置了一批化學、物理的實驗儀器，經常在家實驗。

中學時，曹原與學校另外兩名學生展現出了強大的主動探究學習的能力，針對三人的學習能力和個性需求，學校將3人單獨成班，並制定了科學系統的以培養學生自主學習為核心的教學模式。在此教學模式下，他們3人一年完成初中課程、一年完成高中課程，於2010年提前參加高考。當年，曹原以669分的高考成績，被中科大錄取。

看到大洋彼岸的學生在超導研究中作出成果，黃佳堂難掩激動之情。「在上課時，我給他講過超導的知識，也講過目前物理界關於超導研究的難題，但沒想到曹原在這個領域作出了深入的研究，有了現在的成果，我為他感到驕傲！」

南方日報記者 曹嬡嬡 實習生 李月

策劃/統籌：湯凱鋒

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