第一作者：Yuan Cao

通訊作者：Pablo Jarillo-Herrero

第一單位：MIT

第一作者：Yuan Cao

通訊作者：Yuan Cao，Pablo Jarillo-Herrero

第一單位：MIT

2018年3月5日，國際頂尖期刊Nature連刊兩文，以背靠背長文形式在網站刊登了麻省理工學院Jarillo-Herrero教授課題組墨烯超導重大發現。此外，Nature在網站還配以Eugene J. Mele的評述。

特別值得關注的是，本次兩篇重磅文章第一作者是來自中國的博士生曹原。曹原本科畢業于中科大少年班，令人驚訝的是，這位博士生今年年僅21歲。

MIT石墨烯超導重大發現

范德華異質結構是二元構筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎上，可以實現更多的工程化操縱。其中一個方向，就是通過控制層間扭曲角度，來調控范德華異質結的電子結構。

有鑒于此，MIT的Pablo Jarillo-Herrero、Yuan Cao團隊在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變，打開了非常規超導體研究的大門。

Pablo Jarillo-Herrero（左）和Yuan Cao（右）

Nature雜志在2018年3月5日以背靠背的長文形式，在網站刊登了這項還沒來得及排版的重大研究成果，并配以Eugene J. Mele的評述。

圖1. 不同角度扭曲的雙層石墨烯

Cao等人發現，堆疊的雙層石墨烯中，電學行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。對于物理學家而言，電學行為通常是由能量主導。而在這項研究中，單層石墨烯內原子間電子移動有關的能量在eV量級，而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。

要想解開這個謎題，對稱性是關鍵！

對于結構高度有序的單層石墨烯而言，電學性能取決于對稱性。研究人員制備了旋轉扭曲的雙層石墨烯，通過電子之間的相互作用來控制整個體系的電子態。旋轉產生的位錯使石墨烯層中的電子能帶結構不再對齊，單胞變大。

圖2.扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結構

研究人員發現，扭曲的雙層石墨烯會產生兩種全新的電子態。一種電子態是Mott絕緣體態，來源于電子之間的強排斥作用。另一種是超導態，來源于電子之間的強吸引作用而產生零電阻。

當旋轉角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應增項，從而產生非導電的Mott絕緣態。在Mott絕緣態情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉變為超導態。

圖3. 石墨烯超晶格中的二維超導

這項研究成果，為超導研究帶來了新思路，也為全新電學性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺！

曹原近照（來自其Facebook主頁）。

值得關注的是，本次兩篇Nature論文的第一作者、MIT博士生曹原來自中國。今年年僅21歲，本科畢業于著名的中科大少年班。

根據報道，曹原1996年出生，籍貫是四川成都。2010年，14歲的曹原從深圳耀華實驗學校考入蜚聲中外的中國科學技術大學少年班學院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。

從中學時代起，曹原即受益于“超常教育”。據當時的媒體報道：曹原2007年到深圳耀華實驗學校讀書，該校主管超常教育的副校長為朱源。后者曾任教中科大少年班20多年。曹原用了三年的時間讀完小學六年級、初中和高中的課程。高考總分為理科669分。2014年，曹原榮獲中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金。

據中科大丁澤軍教授回憶，曹原是“很聰明的家伙！本科時計算物理課程中的課題研究成果發了一篇文章，J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99。沒花多少時間，也就是一個寒假就做完了”。

中科大物理學院教授曾長淦也證實“這是在我實驗室混過的娃”。曾長淦回憶“（本科）在我們實驗室還發了一篇PRB理論文章呢。當時就覺得他太厲害了”。

曾教授接受采訪回憶起曹原：“我實驗室出了很多位郭沫若獎，但曹原在其中還是顯得卓爾不群，非常特別。我們的研究以實驗為主，但曹原發的卻是理論文章。雖然在實驗選題、方向與寫作上我可給他指導，但在技術細節上無法手把手教他。曹原是如此的令人放心：只要把題目交給他就行，他一定能做出來！ 聰明人很多，曹原卻還主動。計算遇到困難，他永遠會想嘗試其他的軟件方法。曹原愛好廣泛，也喜歡計算機，什么都能搗騰，朋友圈經常發天文觀測的照片。才氣過人的天才往往持才傲物，但曹原卻非常低調沉穩，情商很高。他在我們實驗室時就很受歡迎。去年他曾回科大訪問，提到了研究的進展。看到成果發表。我很高興！”

一位與曹原熟悉的少年班畢業生說：我們都覺得他可能成為下一個莊小威，這一點都不過分。他實在是太強了，以前在科大就是傳說級的人物。

Pablo Jarillo-Herrero教授與曹原發表的論文

1. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

2. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

3. Eugene J. Mele. Novel electronic states seen in graphene. Nature 2018. （本文為評論Jarillo-Herrero教授與曹原的文章）