95后Nature狂魔曹原达成7连杀,一周发两篇Nature,每次都是枯燥的感觉

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所属分类:体育科学

来源:新智元

对曹原来说,2021年4月7日并没有什么不同,只不过又发了一篇Nature而已。

这是他的第7篇Nature论文,距离上一篇只隔了一周时间。

3月31日,曹原与团队在Nature发表论文,曹原是以共同一作+通讯的身份出现的。

果然,双发才是「曹原速度」。

2018年和2020年曹原分别两次「背靠背」连发2篇Nature.

第一次,2018年3月5日,Nature连刊2篇曹原的论文,当时Nature来不及排版,迅速以「背靠背」形式刊登了这两篇关于「转角石墨烯」的重大成果,文章还配以第三篇文章作为评述,足见这一发现的非凡意义。

在这两篇论文中,曹原发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应,超导转变温度最高为1.7K,而这约1.1°的微妙角度就被称为「魔角」,从此,「魔角石墨烯」进入科学视线。

国内外学术界为之震动,这开辟了「凝聚态物理」的新领域。

7篇nature,「石墨烯驾驭者」

2018年,曹原入选Nature「2018年度科学人物」,位列榜首!

Nature评:让原子厚度碳片层成为超导体的博士研究生。

他也是Nature创刊149年来年龄最小的入榜者。

为此,他还收获了一个生动的名字,叫「石墨烯驾驭者」(Graphene Wrangler),听起来竟然有种驾驭宇宙魔方的感觉。 

那么,他是如何成为「石墨烯驾驭者」的呢?

我们可以从他的7篇Nature了解一下。

2018年,让曹原「一战成名」的那两篇论文描述了关于原子厚度碳片层奇异行为。

2014年,曹原中科大毕业后,在导师的推荐下前往MIT攻读博士,并加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工学院的团队,该团队当时已经开始进行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石墨烯中,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持怀疑态度。曹原决心创造出这种以微妙角度扭曲的双层石墨烯,并发现了一些奇异的现象。

对石墨烯施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(Y. Cao et al. Nature 556, 80–84; 2018)。这一发现本身不可谓不令人惊讶。

论文:https://www.nature.com/articles/nature26154

曹原说:「我们已经料到这会对整个领域带来巨大影响。但更好的消息还在后面:只需稍微调整一下电场,扭曲的双层石墨烯就能成为一个超导体,让电子实现零电阻流动」(Y. Cao et al. Nature556, 43–50; 2018)。他们在第二个样本中观察到了同样的现象,最终确认了自己亲眼所见的事实。

论文:https://www.nature.com/articles/nature26160

通过简单的旋转就能让原子厚度的碳材料产生复杂的电子态,这一研究成果让物理学家争相对其它扭曲二维材料的奇异行为进行实验。一些物理学家甚至希望石墨烯能够阐明复杂材料为何会在更高的温度下成为超导体。

哥伦比亚大学物理学家Cory Dean表示:「我们接下来可以做的事情太多了,眼前的机会巨大。」

成功将平行的双层石墨烯扭曲至约1.1°的“魔角”需要一些试错,但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero认为曹原的实验技巧至关重要。

曹原原创的方法先将单层石墨烯撕裂,组成方向相同的双层石墨烯,并在此基础上进行微调校准。曹原还通过调整低温系统,达到了能让超导态更为显著的温度。

2020年5月6日,时隔两年,曹原再次Nature两连发,讲述了团队在「魔角石墨烯」研究取得的新进展。

论文一中,作者提出了基于小角度扭曲双层-双层石墨烯(TBBG)高度可调的相关系统,由两片旋转的Bernal堆叠双层石墨烯组成。该系统呈现丰富相图,具有可调谐相关绝缘体态,对扭转角和电位移场的应用都高度敏感。

作者通过实验,证明了在扭曲范德华异质结构中,实现可调与电子关联的实验研究的可能性。

这种新颖的扭曲角的自由度和控制在其他二维系统中,也应该是通用的,也可能会表现出类似的相关物理行为,让调谐和控制的电子-电子相互作用的强度的技术成为可能。

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

论文二中,作者对扭曲角的分布信息做了进一步探讨,解释了Twisted angle disorder对量子霍尔效应(QHE)的影响。

魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)超导性能关键取决于中间层扭曲角(θ)的大小。作者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。

论文确立了θ紊乱作为一种非常规类型的紊乱的重要性,使扭曲角梯度能够用于「带结构」工程,实现相关现象和器件应用中的栅极可调内置平面电场。

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

2021年2月1日,曹原第5次以一作+通讯作者的身份在Nature上发文。

论文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0

在曹原和其导师发现了「双层石墨烯」能产生超导性后不久,也有人在思考,三层、四层甚至更多层的石墨烯是否也有超导的奇迹发生?

对此,他的导师Pablo鼓励道:「Why not, let’s give it a try and test this idea!」

曹原与团队成员将单层游丝石墨烯薄片小心地切成三个部分,并将每个部分以精确角度彼此堆叠,设计了三层石墨烯结构。

三层结构,每个结构跨度为几微米(大约是我们头发直径的1/100),高度为三个原子。

研究小组将电极连接到结构的两端,并通过电流,同时测量材料中损失或散发的能量。

看不到有能量消散,这意味着它是超导体。

镜像对称MATTG中的电子结构与强超导性

3月31日,曹原在Nature发表了其第6篇论文。

论文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w

在这篇论文中,MIT的Jeong Min Park、曹原等人利用同时进行的热力学和输运测量,研究了MATBG的破缺对称性多体基态及其非平凡的拓扑结构。同时,也使魔角石墨烯的理论和实验都更趋近于一个统一的框架,为我们开发新型的量子材料,带来了更多可能。

最后,发表于3天前的这篇论文是关于魔角石墨烯中的Pomeranchuk效应的熵证据。当前相关态的杂化特性和能量尺度的大分离对于双层扭曲石墨烯中相关态的热力学和输运性质具有重要意义。

这篇论文和7天前的那篇可谓是「英雄所见略同」,研究的都是魔角石墨烯体系中电子的类Pomeranchuk效应。

论文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03319-3

他们是谈起物理手舞足蹈的人

7篇Nature,石墨烯驾驭者,Nature年度人物,Nature创刊以来年龄最小入选者......

这些形容词都不足以描述曹原和他的研究。

他只是一个专注于科研的学者。

这个出生于96年,用一年时间学完小学六年级和初一的课程,初一读了一个月,初二读了三个月,初三不到半年就参加了中考,14岁考入中科大少年班的年轻人只是说,「我不觉得自己比同龄人聪明多少。」「我只是跳过了中学里一些无趣的部分。」

2010年,14岁的曹原考入中科大「严济慈物理科技英才班」,是严济慈班第一届学生。

和曹原同班的还有量子计算原型机「九章」研发团队最年轻成员邓宇皓,7次在国际核心期刊发表研究论文的任亚飞。

严济慈班的录取标准同样是不唯成绩论,关键要有「兴趣」,要找「谈起物理手舞足蹈的人」。

同样,前不久清华公布了「丘成桐数学科学领军人才培养计划」,不用高考,初三可报,在被问及「领军人才」应该具备什么素质时,丘成桐先生表示:要有「好奇心」,想学好数学。

「兴趣和好奇心」能带来长久的坚持,但也只是科研这场漫长旅程的「入场票」,除了这两点之外,还要有一种早已注定但却无法决定的东西——天分。

很幸运,这两样东西曹原都有了。

也正因此,他的科研之路一直走到今天,而「7篇Nature」只是截至目前这段科研旅程中的点缀。

对于曹原,除了「7篇Nature」和「少年神童」,更引人瞩目的是他的科研历程,Nature发文并不代表「封神」,年轻的科研人员才是我们值得尊敬的对象。

曹原的研究仍在继续,我们也会这一直关注他「仰望星空」的旅程。

2021年4月7日真的没有什么不同。

参考资料:

曹原个人网站 https://caoyuan.scripts.mit.edu/

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