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25岁天才曹原再发《Nature》!2021年开局就是这么牛,自己造的记录自己破.......

超级数学建模

作者|超模君  来源|超级数学建模(ID:supermodeling)

天才少年

再创记录

2021年2月1日,被誉为“天才少年”、曾一天之内连发两篇《Nature》的25岁博士曹原又有新突破!这次,他和团队关于石墨烯的研究已经大步迈上了第三层!!

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图片来源:《自然》网站报道截图

曹原是谁?

曹原,一直都是别人眼中的少年天才。

1996年,曹原出生于四川成都,后来一家人迁往深圳。他从小就十分聪明,老师刚说出题目,话音未落他就能回答出答案。

他也喜欢研究电子产品,经常偷偷跑到深圳华强北,一呆就是下午。还会买上一大堆电子元件回家研究电子线路。

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除了捣鼓电子产品,他也喜欢做化学实验。为了满足好奇心,曾经还偷偷把他妈的银镯子偷来,跑到学校的实验室里,尝试用硝酸合成硝酸银。

他的校长知道这件事后,不仅没有批评,还认为他是个不可多得的人才。

为了不辜负校长的宽容。曹原一个月就把初一读完,三个月读完初二,不到半年就读完了初三……

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别人都是初中三年,高中三年,寒窗十年备战高考。结果曹原一共就花了两年时间,就带着669分的高考成绩单去中科大少年班报道了。

2010年,14岁的他来到了中国科技大学,还被选中去了最牛逼的“严济慈物理英才班"。

该班的主要目标是培养具有扎实的物理基础、熟练掌握物理研究方法、热爱物理科学研究,毕业后继续从事物理或相关领域研究工作的高层次精英人才。

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就算是在天才如云的少年班里,曹原依旧如鱼得水。他经常提出一些古怪的问题去和教授探讨,这也让教授们对他印象深刻。

就连有着“丁老怪”之称的物理学院丁泽军教授对他也是称赞有加:“一个很聪明的家伙”。

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丁泽军教授

另一个曾长淦教授也是非常欣赏曹原: “(本科)在我们实验室还发了一篇PRB理论文章呢,当时就觉得他太厉害了”。

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曾长淦教授

大学期间,他交换去了美国密歇根大学与牛津大学。2014年,在导师的推荐下,他前往美国麻省理工学院进行深造。

正是这次出国深造,曹原开始在国际舞台上展露头角,而这一切都跟“石墨烯”有关。

石墨烯和曹原

相信一些读者或多或少听过“石墨烯”,可是关于它,你到底知道多少?

100多年前,由于传统导体存在电阻,在从发电站传送给居民的过程中会产生大量的能量损耗。

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如果能够解决这个能量损耗的问题,就可以为人类节省数量相当庞大的资源。

为了找到使能源损耗降到最低的导体,科学家们苦恼了100多年。

直到1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)发现将汞冷却到-269℃时,电阻就会降为零,能源的消耗也将降到最低。

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这是人类第一次发现超导体的存在!此后,只要有人再发现超导性物质,可以说诺贝尔奖触手可得。

1913年,昂尼斯又发现锡和铅也具有这种超导性,同年获得了诺贝尔奖。

到了1986年,德国物理学家柏诺兹和缪勒又发现一种铜氧化物,这种材料能达到超导状态的最高温度约为-140℃。因此缪勒和柏诺兹也荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。

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柏诺兹和缪勒

然而,非常可惜的是,虽然超导领域偶有新发现,但没有一种材料能够走出实验室,真正具备实用价值。 就连诺贝尔奖获得者劳勃劳林(Robert Laughlin)也曾说过:物理学家们已经在黑暗(超导研究)中,徘徊了30年。

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不过,非常幸运的是,后来人们发现了石墨烯这种材料。

一种以单层碳原子组成的六角形蜂巢晶格材料。

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刚开始,科学家们只是发现:和不同的材料接触,石墨烯都会表现出不寻常的“超导特性”。这个发现让一些人找到了空子,他们就开始利用“石墨烯”制造了很多“灌水”论文:

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有位大佬看不过去石墨烯被拿来水论文写下这篇神论文讽刺灌水党

直到2017年8月,年仅21岁的曹原和导师Jarillo-Herrero解锁了石墨烯的真正用法!

只要将两层石墨烯,旋转到特定的“魔法角度”(1.1°)叠加时,它们就可以在零阻力的情况下传导电子,即刻显现超导特性。

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这绝对是科学界的重大发现!《Nature》在收到论文稿件后,甚至还没来得及排版就先发布在网上,更是在一天之内连续刊登了两篇曹原关于石墨烯超导的文章。

消息一出,瞬间引爆全球!

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至此,曹原和团队成功实现了石墨烯的“超导电实验”,破解了困扰全世界物理学界107年的世界难题;而且也是在国际顶级科研杂志《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。

同年,年仅22岁的他入选了《自然》杂志发布的“2018年度影响世界的十大科学人物”榜首,被称为“石墨烯驾驭者”

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图片来源:《自然》网站报道截图

如今,数百位世界级学者正在试图拓展他的科研成果。一旦成果落地,将为世界能源行业节省数千亿美元的资金。

《Nature》封面图片更是明显指向曹原和团队的成果!

《Nature》在年度文章中介绍他为:“开创了一个全新研究领域的杰出科学家”。

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要知道,虽然《Nature》评选全年度十大科学人物已是传统,近年来入选的中国籍科学家并不少见,但是能入选的都是妥妥的行业超级实力派!

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2017年,中国物理学家、中国科学院院士潘建伟榜上有名图为《Nature》杂志报道潘建伟的特稿截图

曹原不仅上榜了,还是榜首!少年天才,一夜之间享誉世界!

再进一步

当无数科学家还在重复曹原和他团队的实验时,2020年5月7日,《Nature》再次连发两篇关于魔角石墨烯的最新进展。其中一篇曹原是第一作者与通讯作者,另一篇曹原是共同第一作者。

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这两篇论文本质上,其实是在讨论同一个问题:从微观角度上,魔角石墨烯到底为什么会具备这么神奇的性质?

通过前文中介绍,大家应该可以简单明白:所谓的魔角石墨烯,其实就是将两片叠放的石墨烯交错至一个特殊的“魔角”(1.1°)。

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就是这样一个小小的旋转,却从根本上改变了石墨烯的性质:魔角石墨烯在低温下,会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......

在以色列和MIT合作的论文中,他们就通过测量局域电子压缩性,发现魔角石墨烯的能带在整数填充附近经历了剧烈的转变。

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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。

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而在另一篇论文中,普林斯顿大学的课题组则利用高分辨率扫描隧道显微镜,成功观测到了:随着电子填充函数变化,魔角石墨烯会出现一系列光谱跃迁。

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研究团队认为,这种跃迁现象就可以用来解答关键问题:魔角石墨烯是怎么从高温下的母态演变出低温下那些奇妙的性质。

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值得一提的是,普林斯顿大学的这个课题组在石墨烯领域也是“老专家”了。早在2019年7月份,他们就在Nature上发表过魔角石墨烯的谱学研究。

这次曹原团队的论文,正是对之前研究工作的进一步深入。

不难看出,这次Nature发表的两篇魔角石墨烯论文成果,在电子微观机制层面形成了互补。

而且,这两篇论文草稿都是同一天上传到预印本网站,又在Nature上同一天发表。

第三层是啥?

好了,我们在了解了“两层”后,现在就可以看“第三层”了。

在“双层魔角”成名之后,科学家们一直在寻找其他可以经过扭转而表现出超导性质的材料,很遗憾的是,除了“双层魔角石墨烯”后,再也没发现其他材料具备相似的特性。

直到在2021年2月1日《Nature》刊发的最新论文中,曹原团队“在三层石墨烯组成的‘三明治’中观察到了超导性!而且,在这个新发现的三层结构中,位于中间一层的石墨烯相对于外层以新的角度扭转,它的超导性比双层魔角结构更加稳定!!

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理论物理学家曾经提出过:如果将三层石墨烯像三明治一样堆叠,中间层相对于两个外层扭转1.56度,那么这种扭曲构型将产生一种对称性,从而促使材料中的电子配对,形成无阻力的电流,即超导的标志。

曹原和团队成员在制造了几个这样的“三明治”结构后,他们把电极连接到结构的两端,通过测量没有观察到能量耗散,这也就意味着它确实是超导体。

研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调节结构的超导性。通过调节三层结构,能够产生超强耦合超导性,这是一种奇特的电学行为,在其他所有材料中很少见。

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图1 镜像对称MATTG中的电子结构与强超导性

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图2 MATTG相图

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图3 超强耦合超导性与邻近BCS-BEC交叉点

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图4 超导电性与从|ν| = 2相位出现的载流子之间的联系

Jarillo-Herrero (曹原的导师、同时也是这篇论文的通讯作者)说:“目前尚不清楚魔角双层石墨烯是不是特例,但现在我们知道它并不孤单,它有一个三层表亲。这种超可调(hypertunable)超导体的发现将转角电子学领域扩展到了全新的方向,在量子信息和传感技术中具有潜在的应用。”

就目前的情况而言,毫无疑问,曹原和团队的研究成果已经站在了超导体研究有史以来的最前端!

相信未来,这位走向国际的天才少年,一定能成为伟大的科学家!也能够像他说的那样,“希望将更多的时间用来为中国科技创造更多奇迹!”

编者按:本文转载自微信公众号:超级数学建模(ID:supermodeling)


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