25歲Nature「魔角天才」曹原：證明三層石墨烯「自旋三重態(tài)」超導(dǎo)性

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25歲Nature狂魔八連殺！「魔角天才」曹原證明三層石墨烯「自旋三重態(tài)」超導(dǎo)性
新智元 新智元 2021-07-22 12:34




  新智元報(bào)道  

來(lái)源：nature

編輯：小勻、yaxin

【新智元導(dǎo)讀】剛剛，95后「石墨烯駕馭者」曹原又在Nature上發(fā)文了！這是一篇關(guān)于魔角石墨烯的最新研究成果，與此同時(shí)，他迎來(lái)了自己人生中第八篇Nature！而這距離他上一次發(fā)表Science僅僅過(guò)去了三個(gè)月。


95后Nature狂魔曹原再出擊！剛剛，他迎來(lái)了自己的第8篇Nature論文：



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96年、8篇Nature、1篇Science。



僅2021年上半年，曹原就已經(jīng)發(fā)表了3篇Nature+1篇Science，發(fā)表間隔時(shí)間最長(zhǎng)不過(guò)一個(gè)月，最短僅7天。



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今年4月，曹原7天內(nèi)發(fā)兩篇Nature



因此，他還收獲了一個(gè)生動(dòng)的名字，叫「石墨烯駕馭者」（Graphene Wrangler），聽(tīng)起來(lái)竟然有種駕馭宇宙魔方的感覺(jué)。



在這篇新的文章中，一種被稱為「魔角扭曲三層石墨烯」的材料系統(tǒng)表現(xiàn)出超導(dǎo)性。



這可能會(huì)促進(jìn)量子計(jì)算的進(jìn)步。



魔角三層石墨烯：「自旋三重態(tài)」超導(dǎo)體



兩層變?nèi)龑樱谀Ы侨龑邮┥显俅伟l(fā)現(xiàn)了在強(qiáng)磁場(chǎng)中罕見(jiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，這位魔角天才只專注做一件事。



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曹原表示，「該研究中發(fā)現(xiàn)的魔角三層石墨烯是一種非常罕見(jiàn)的超導(dǎo)體，被稱為「自旋三重態(tài)」，不受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響?！?br />


在最新Nature論文中，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) θ 等于大約1.6 °的魔角時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)耦合狀態(tài)的角度。



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魔角扭曲三層石墨烯中罕見(jiàn)的自旋三重態(tài)超導(dǎo)現(xiàn)象



曹原在這種魔角扭曲三層石墨烯 (MATTG) 中觀察到了「超導(dǎo)現(xiàn)象」，并研究了這種超導(dǎo)現(xiàn)象的自旋特性。



具體講，MATTG在低溫（低至1開(kāi)爾文）下電阻為零，變?yōu)槌瑢?dǎo)體。



然后，他們?cè)谑拥钠矫嫔蠈?duì) MATTG 施加一個(gè)磁場(chǎng)。



結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MATTG在高達(dá) 10 特斯拉的驚人「高磁場(chǎng)」下仍然表現(xiàn)出超導(dǎo)性，這比傳統(tǒng)超導(dǎo)體所預(yù)測(cè)的材料所能承受的磁場(chǎng)高出3倍!



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實(shí)驗(yàn)中，研究人員是將三層石墨烯堆疊在一起，并將中間的一層相對(duì)于外層旋轉(zhuǎn) 1.56 度來(lái)制造MATTG。



然后通過(guò)一塊磁場(chǎng)方向與材料平行的大磁鐵控制磁場(chǎng)，在越來(lái)越高的磁場(chǎng)下測(cè)試了MATTG的超導(dǎo)性。



研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不斷增加周圍的磁場(chǎng)時(shí)，MATTG的超導(dǎo)性一直很強(qiáng)，直到消失。



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高平面磁場(chǎng)下 MATTG 中的超導(dǎo)性



超導(dǎo)性源于電子結(jié)合成稱為庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子。在自旋單重態(tài) 「庫(kù)珀對(duì)」中，電子自旋（內(nèi)在角動(dòng)量）向相反的方向。



而在石墨烯材料平面存在強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下，自旋單線態(tài)「庫(kù)珀對(duì)」拉開(kāi)，因?yàn)橐环N稱為「塞曼效應(yīng)」的現(xiàn)象導(dǎo)致自旋在同一方向上排列。



這種特性被稱為「自旋三重態(tài)」。



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傳統(tǒng)超導(dǎo)體的自旋單線態(tài)和魔角扭曲三層石墨烯的自旋三重態(tài)



未來(lái)，這種奇異的超導(dǎo)體可以極大地改進(jìn)磁共振成像（MRI）技術(shù)。



目前，MRI 機(jī)器僅限于 1-3 特斯拉的磁場(chǎng)。



如果它們可以用自旋三重態(tài)超導(dǎo)體制造，那么 MRI 就可以在更高的磁場(chǎng)下運(yùn)行，以產(chǎn)生「更清晰」的人體圖像。



此外，三層石墨烯中「自旋三重態(tài)」超導(dǎo)性的新證據(jù)也可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的超導(dǎo)體，以用于實(shí)際量子計(jì)算。



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Nature發(fā)文不「封神」，曹原：會(huì)繼續(xù)仰望星空



8篇Nature，石墨烯駕馭者，Nature年度人物，Nature創(chuàng)刊以來(lái)年齡最小入選者......



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這些形容詞都不足以描述曹原和他的研究。



他只是一個(gè)專注于科研的學(xué)者。



這個(gè)出生于96年，用一年時(shí)間學(xué)完小學(xué)六年級(jí)和初一的課程，初一讀了一個(gè)月，初二讀了三個(gè)月，初三不到半年就參加了中考。



14歲考入中科大少年班的年輕人只是說(shuō)，「我不覺(jué)得自己比同齡人聰明多少?！埂肝抑皇翘^(guò)了中學(xué)里一些無(wú)趣的部分?！?br />


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2010年，14歲的曹原考入中科大「嚴(yán)濟(jì)慈物理科技英才班」，是嚴(yán)濟(jì)慈班第一屆學(xué)生。



和曹原同班的還有量子計(jì)算原型機(jī)「九章」研發(fā)團(tuán)隊(duì)最年輕成員鄧宇皓，7次在國(guó)際核心期刊發(fā)表研究論文的任亞飛。



嚴(yán)濟(jì)慈班的錄取標(biāo)準(zhǔn)同樣是不唯成績(jī)論，關(guān)鍵要有「興趣」，要找「談起物理手舞足蹈的人」。



同樣，前不久清華公布了「丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃」，不用高考，初三可報(bào)，在被問(wèn)及「領(lǐng)軍人才」應(yīng)該具備什么素質(zhì)時(shí)，丘成桐先生表示：要有「好奇心」，想學(xué)好數(shù)學(xué)。



「興趣和好奇心」能帶來(lái)長(zhǎng)久的堅(jiān)持，但也只是科研這場(chǎng)漫長(zhǎng)旅程的「入場(chǎng)票」，除了這兩點(diǎn)之外，還要有一種早已注定但卻無(wú)法決定的東西——天分。



很幸運(yùn)，這兩樣?xùn)|西曹原都有了。



也正因此，他的科研之路一直走到今天，而「8篇Nature」只是截至目前這段科研旅程中的點(diǎn)綴。



對(duì)于曹原，除了「8篇Nature」和「少年神童」，更引人矚目的是他的科研歷程，Nature發(fā)文并不代表「封神」，年輕的科研人員才是我們值得尊敬的對(duì)象。



曹原的研究仍在繼續(xù)，我們也會(huì)這一直關(guān)注他「仰望星空」的旅程。



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「那里更容易看到星星。」（圖源：曹原個(gè)站）



這不過(guò)是他的第8篇Nature，未來(lái)還會(huì)有多少篇呢？





參考資料：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01890-3

https://news.mit.edu/2021/magic-trilayer-graphene-superconductor-magnet-0721

https://www.163.com/dy/article/GFG7GJ6305329TW8.html





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