今天 ，我校曹原校友與美國麻省理工學(xué)院 Jeong Min Park等人在《自然》發(fā)文，報告三層扭轉(zhuǎn)石墨烯能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這個“三明治”比雙層的“魔角”石墨烯更加穩(wěn)定，并且能夠通過兩種相互獨立的方式進行調(diào)節(jié)。這樣的結(jié)構(gòu)或有助于理解實現(xiàn)高溫超導(dǎo)需要的條件。

當(dāng)兩片石墨烯以 1.1° 的扭轉(zhuǎn)角度交錯排列，這個雙層結(jié)構(gòu)就會轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅Ｒ?guī)的超導(dǎo)體，從而使電流無阻通過，而不會浪費能量。這種“魔角”石墨烯結(jié)構(gòu)及其超導(dǎo)效應(yīng)由美國麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)教授 Pablo Jarillo-Herrero 團隊在 2018 年首次發(fā)現(xiàn)。這項研究也讓中科大少年班畢業(yè)生、當(dāng)時年僅 21 歲的曹原“一戰(zhàn)成名”：他以共同第一作者/共同通訊作者的身份首次在同一天發(fā)表了兩篇《自然》（Nature）論文，隨后他成為了《自然》 2018 年十大科學(xué)人物中最年輕的學(xué)者。

扭轉(zhuǎn)電子學(xué)（twistronics）領(lǐng)域從此興起。此后，科學(xué)家一直在尋找其他可以經(jīng)過扭轉(zhuǎn)而表現(xiàn)出超導(dǎo)性質(zhì)的材料。但是到目前為止，除了最初的雙層“魔角”石墨烯以外，沒有發(fā)現(xiàn)其他材料具備相似的特性。

近日，已經(jīng)成為博士后的曹原再次以共同第一作者身份在《自然》發(fā)文報告，在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導(dǎo)性。在新的三層結(jié)構(gòu)中，中間一層石墨烯相對于外層以新的角度扭轉(zhuǎn)，其超導(dǎo)性比雙層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

該論文 2 月 1 日在《自然》發(fā)表， Jeong Min Park 和曹原為共同一作，此外曹原還與他的導(dǎo)師、Pablo Jarillo-Herrero 共同擔(dān)任論文通訊作者。日本國立材料科學(xué)研究所（National Institute of Materials Science）的渡邊賢司（Kenji Watanabe）和谷口尚（Takashi Taniguchi）也參與了這項研究。

研究人員還可以通過施加和改變外部電場的強度來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)性。而通過調(diào)節(jié)三層結(jié)構(gòu)，研究人員能夠產(chǎn)生超強耦合超導(dǎo)性，這是一種奇特的電學(xué)行為，在其他所有材料中很少見。

Jarillo-Herrero 說：“目前尚不清楚魔角雙層石墨烯是不是特例，但現(xiàn)在我們知道它并不孤單，它有一個三層表親。這種超可調(diào)（hypertunable）超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將轉(zhuǎn)角電子學(xué)領(lǐng)域擴展到了全新的方向，在量子信息和傳感技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用。”

曹原

曹原，2010年考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，并入選“嚴(yán)濟慈物理英才班”。在校期間曾獲得郭沫若獎學(xué)金。2018年3月5日，《自然》背靠背發(fā)表了兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文。這名中國科大少年班的畢業(yè)生、美國麻省理工學(xué)院的博士生發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)轟動國際學(xué)界，直接開辟了凝聚態(tài)物理的一塊新領(lǐng)域。并于當(dāng)年榮登《自然》雜志影響世界的十大科學(xué)人物榜首。2018年，曹原以22歲的年齡入選了福布斯中國發(fā)布的2018年中國“30位30歲以下精英”科技領(lǐng)域榜單，成為了入選者年齡最小的一位。