摘要：曹原決定研究這種微妙角度扭曲的雙層石墨烯，並發現了一些奇異現象，對石墨烯加微弱的電場並冷卻至絕對零度以上1.7度時，會讓能導電的石墨烯變成絕緣體。該體系由兩層旋轉的伯納爾堆疊的雙層石墨烯組成，TBBG具有豐富的相圖，具有可調的相關絕緣體狀態，對扭轉角和電場位移場都高度敏感。

2018年，作爲在Nature上以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者曹原，入選了福布斯中國發布的2018年中國“30位30歲以下的精英”科技領域榜單，成爲了入選者年齡最小的一位。

018年曹原發布Nature

之後，魔角石墨烯成爲了國際前沿研究領域最熱門的議題之一。

Pablo Jarillo-Herrero課題組連發兩篇Nature，在魔角石墨烯取得系列新進展，其中一篇Nature，曹原是第一作者共同通訊作者；另一篇Nature，曹原爲共同第一作者。

2020年曹原發布nature

2020年曹原發布nature

以下簡單敘述論文內容：

在第一篇Nature論文中，研究人員致力於通過對扭轉角的控制，將魔角特性推廣到其他二維研究體系，以調諧和控制電子-電子相互作用的強度，實現相似的物理行爲。他們採用了一種全新的魔角石墨烯體系：基於小角度扭曲的雙層-雙層石墨烯（TBBG）。

TBBG的結構和傳輸特性

TBBG中位移場可調的相關絕緣體狀態

該體系由兩層旋轉的伯納爾堆疊的雙層石墨烯組成，TBBG具有豐富的相圖，具有可調的相關絕緣體狀態，對扭轉角和電場位移場都高度敏感。值得一提的是，與魔角扭曲雙層石墨烯不一樣的是，在該體系中的相關態對磁場響應，證明了自旋極化基態的存在。這些結果對於探索多平帶扭曲超晶格中扭曲角和電場控制的相關相態起到了重要推動作用。

TBBG中位移場可調的相關絕緣體狀態的磁

多平坦能帶系統中的相關絕緣體狀態

另一篇Nature論文中，研究團隊致力於研究扭曲角的分佈信息。他們以六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG爲研究對象，使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，並繪製了局部θ變化圖。該設備的相對精度達到0.002度，空間分辨率爲幾個摩爾週期。

MATBG中全局和局部量子霍爾特徵之間的

研究發現，θ無序程度與MATBG傳輸特性的質量之間存在相關性。即使是使用最先進的設備，其θ的局部變化也高達0.1度。而且，MATBG中的相關狀態相對於扭曲角的異常特別脆弱。總之，這項研究證明了θ無序作的重要性，爲相關物理現象的實現和應用提供了指導。

朗道能級水平的結構和沿線掃描扭曲角的

曹原：石墨烯駕馭者，讓原子厚度碳片層成爲超導體的博士研究生。

曹原18歲時高中畢業後，還從中國科學技術大學拿到了本科學位，並前往美國開始攻讀博士。此後，先後發表了兩篇關於原子厚度碳片層奇異行爲的論文，開啓了物理學的全新領域。

曹原認爲自己情況異於常人，但是自己並不特殊，面對自己學習過程中的描述，稱：只是跳過了學習裏無趣的部分。

2014年，曹原加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工學院的團隊，該團隊市當時已經開始將碳片層堆疊和旋轉至不同角度的嘗試。

曹原的主要工作是考察在堆疊的雙層墨烯中，如果將其中一層相對另一層旋轉極小的角度後會發生什麼。

根據一種理論預測，這種扭曲會極大地改變石墨烯的行爲，但許多物理學家對此保持懷疑的態度。

曹原決定研究這種微妙角度扭曲的雙層石墨烯，並發現了一些奇異現象，對石墨烯加微弱的電場並冷卻至絕對零度以上1.7度時，會讓能導電的石墨烯變成絕緣體。

1911年荷蘭物理學家Onnes發現汞(水銀)在4.2k附近電阻突然下降爲零，他把這種零電阻現象稱爲超導電性。

這是人們第一次發現超導體！

由於傳統導體存在電阻，從發電站傳送出去時，總會產生能量損耗，如果能解決這問題，就相當於爲人類節省了相當大的資源。

爲了尋找到能使能源損耗降至最低的導體，科學界苦惱了100多年。

所以曹原的研究纔會引發關注，由於石墨烯的研究無需引入其他物質，就能使其出現超導現象，對於這種雙層石墨烯超導體的深入研究，將能爲高溫超導體甚至室溫超導體的研究指明方向。

巨大的商用價值

石墨烯目前是世界上最薄的、強度最大的、質量最輕的、導電和導熱性最好、透光性和電子傳輸性最優異的新型材料。

在每個行業石墨烯都具有潛在的應用價值。

石墨烯，是僅僅有一層原子組成的二維材料，石墨烯屬於零距離半導體，具有完美的狄拉克錐形能帶結構，在材料製備和器件構造上有得天獨厚的優質，被譽爲是未來最有可能替代硅半導體器件的之一。

石墨烯還具有非常良好的熱傳導和光學性能，能夠得到多種相關的化合物。

可以說，石墨烯是未來材料應用的“明星”，更是當今凝聚態物理研究的前沿熱點。

“魔角”石墨烯的研究給我們帶來的許多重要啓示和新的希望，“魔角”石墨烯中的超導電性的發現，開啓了地維世界調控電子態的新大門。

科技領域的應用，促進這類產業發展，能爲全球節省數以億計的資源，在未來的能源業將大有作爲， 商用價值不可估量。

參考文獻：

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

（圖片來源於網絡，侵刪）

相關文章