摘要：曹原决定研究这种微妙角度扭曲的双层石墨烯，并发现了一些奇异现象，对石墨烯加微弱的电场并冷却至绝对零度以上1.7度时，会让能导电的石墨烯变成绝缘体。该体系由两层旋转的伯纳尔堆叠的双层石墨烯组成，TBBG具有丰富的相图，具有可调的相关绝缘体状态，对扭转角和电场位移场都高度敏感。

2018年，作为在Nature上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者曹原，入选了福布斯中国发布的2018年中国“30位30岁以下的精英”科技领域榜单，成为了入选者年龄最小的一位。

018年曹原发布Nature

之后，魔角石墨烯成为了国际前沿研究领域最热门的议题之一。

Pablo Jarillo-Herrero课题组连发两篇Nature，在魔角石墨烯取得系列新进展，其中一篇Nature，曹原是第一作者共同通讯作者；另一篇Nature，曹原为共同第一作者。

2020年曹原发布nature

2020年曹原发布nature

以下简单叙述论文内容：

在第一篇Nature论文中，研究人员致力于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。他们采用了一种全新的魔角石墨烯体系：基于小角度扭曲的双层-双层石墨烯（TBBG）。

TBBG的结构和传输特性

TBBG中位移场可调的相关绝缘体状态

该体系由两层旋转的伯纳尔堆叠的双层石墨烯组成，TBBG具有丰富的相图，具有可调的相关绝缘体状态，对扭转角和电场位移场都高度敏感。值得一提的是，与魔角扭曲双层石墨烯不一样的是，在该体系中的相关态对磁场响应，证明了自旋极化基态的存在。这些结果对于探索多平带扭曲超晶格中扭曲角和电场控制的相关相态起到了重要推动作用。

TBBG中位移场可调的相关绝缘体状态的磁

多平坦能带系统中的相关绝缘体状态

另一篇Nature论文中，研究团队致力于研究扭曲角的分布信息。他们以六方氮化硼（hBN）封装的MATBG为研究对象，使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置（SQUID-on-tip）获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像，并绘制了局部θ变化图。该设备的相对精度达到0.002度，空间分辨率为几个摩尔周期。

MATBG中全局和局部量子霍尔特征之间的

研究发现，θ无序程度与MATBG传输特性的质量之间存在相关性。即使是使用最先进的设备，其θ的局部变化也高达0.1度。而且，MATBG中的相关状态相对于扭曲角的异常特别脆弱。总之，这项研究证明了θ无序作的重要性，为相关物理现象的实现和应用提供了指导。

朗道能级水平的结构和沿线扫描扭曲角的

曹原：石墨烯驾驭者，让原子厚度碳片层成为超导体的博士研究生。

曹原18岁时高中毕业后，还从中国科学技术大学拿到了本科学位，并前往美国开始攻读博士。此后，先后发表了两篇关于原子厚度碳片层奇异行为的论文，开启了物理学的全新领域。

曹原认为自己情况异于常人，但是自己并不特殊，面对自己学习过程中的描述，称：只是跳过了学习里无趣的部分。

2014年，曹原加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工学院的团队，该团队市当时已经开始将碳片层堆叠和旋转至不同角度的尝试。

曹原的主要工作是考察在堆叠的双层墨烯中，如果将其中一层相对另一层旋转极小的角度后会发生什么。

根据一种理论预测，这种扭曲会极大地改变石墨烯的行为，但许多物理学家对此保持怀疑的态度。

曹原决定研究这种微妙角度扭曲的双层石墨烯，并发现了一些奇异现象，对石墨烯加微弱的电场并冷却至绝对零度以上1.7度时，会让能导电的石墨烯变成绝缘体。

1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。

这是人们第一次发现超导体！

由于传统导体存在电阻，从发电站传送出去时，总会产生能量损耗，如果能解决这问题，就相当于为人类节省了相当大的资源。

为了寻找到能使能源损耗降至最低的导体，科学界苦恼了100多年。

所以曹原的研究才会引发关注，由于石墨烯的研究无需引入其他物质，就能使其出现超导现象，对于这种双层石墨烯超导体的深入研究，将能为高温超导体甚至室温超导体的研究指明方向。

巨大的商用价值

石墨烯目前是世界上最薄的、强度最大的、质量最轻的、导电和导热性最好、透光性和电子传输性最优异的新型材料。

在每个行业石墨烯都具有潜在的应用价值。

石墨烯，是仅仅有一层原子组成的二维材料，石墨烯属于零距离半导体，具有完美的狄拉克锥形能带结构，在材料制备和器件构造上有得天独厚的优质，被誉为是未来最有可能替代硅半导体器件的之一。

石墨烯还具有非常良好的热传导和光学性能，能够得到多种相关的化合物。

可以说，石墨烯是未来材料应用的“明星”，更是当今凝聚态物理研究的前沿热点。

“魔角”石墨烯的研究给我们带来的许多重要启示和新的希望，“魔角”石墨烯中的超导电性的发现，开启了地维世界调控电子态的新大门。

科技领域的应用，促进这类产业发展，能为全球节省数以亿计的资源，在未来的能源业将大有作为， 商用价值不可估量。

参考文献：

1. Yuan Cao et al. Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene. Nature 2020

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

2. A. Uri et al. Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

（图片来源于网络，侵删）

相关文章