破解百年物理难题创始物理新领域24岁曹原再次一天连发2篇论文

2018年，22岁的曹原轰动了全球科学界，他在超导效应上取得了新的打破，1911年，昂内斯使用液氮将汞冷却到零下40℃，使汞凝结成线状；然后使用液氦将温度下降至4.2K邻近，并在汞线两头施加电压；当温度稍低于4.2K时（相当于-269℃时，将开氏温度改变为摄氏度的公式便是开氏温度-273，因为绝对零度是-273度），汞的电阻忽然消失，后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失掉电阻的特性，因为它的特别导电功能，林·昂内斯称之为超导态。

氦气制冷的氢液化体系

超导资料的使用主要有：使用资料的超导电性可制造磁体，使用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运送、受控热核反应、储能等；可制造电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制造通讯电缆和天线，其功能优于惯例资料。使用资料的彻底抗磁性可制造无冲突陀螺仪和轴承。使用约瑟夫森效应可制造一系列精细丈量外表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。使用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高功能集成电路的快10～20倍，功耗只要四分之一。

但是超导效应只能在低温下完成，1987年，物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系资料上把临界超导温度提高到90K以上，打破了液氮的“温度壁垒”（77K），科学界因而把临界温度高于77K称之为“高温超导”，它是指一些具有较其他超导物质相对较高的临界温度的物质在液态氮的环境下发生的超导现象，并不是真的高温。

但是科学家发现的一系列超导资料，如铜氧化物——钇钡铜氧、铊－钡－钙－铜－氧系资料，除了铜氧化物超导体还有氢基超导体、铁基超导体、金属低温超导体等，因为微观结构非常复杂，结构往往难以调整，很难进行微观标准的研讨，所以难以发现其超导机制；而超高压类的超导体，研讨起来更难，也无法完成实践使用。

而曹原团队发现，只要将两层石墨烯片叠加起来，两层的晶格取向相互旋转一个视点。当视点刚好是1.1°时。双层石墨烯资料具有了超导特性。

也便是说，当两层石墨烯以一个“魔角”歪曲在一起时，只做了简略的视点旋转，就能在零电阻下导电。让双层石墨烯完成从绝缘体到超导体的改变，这个研讨为超导研讨开辟出一个新的子范畴——"转角电子学"（twistronicic），极有望推进超导技能的进一步开展。

最近，由我国、美国和日本科学家们一起完成的一项研讨标明，"魔角"双层石墨烯的超导功能够终究靠一个很小的电压改变来敞开或封闭，这增加了其超导性在电子设备中的用处。

当然，咱们一定要要指出一点，曹原的研讨离完成常温超导还有很大的间隔，该体系依然需要被冷却至1.7K，它仅仅发现了一种从绝缘体向超导体轻松改变的办法。但因为石墨烯结构相对比较简略，制造的器材比铜氧化物更适合研讨，假如能在石墨烯这样结构相对比较简略的资猜中完成高温超导，其使用价值和研讨价值都非同一般。

这项研讨成果的含金量终究有多高呢？他的两篇关于石墨烯超导的研讨论文直接在一天之内以连刊的方法登上了《天然》杂志，这也是《天然》创立149年以来到达如此成果的最年青的我国科学家，而且英国《天然》周刊发布的2018年度影响国际的十大科学人物，曹原位居榜首。

在2年之后，2020年5月，曹原再次在《天然》一天接连宣布了两篇论文，这次除了榜首作者的身份，它还成为了一起通讯作者，这标明曹原渐渐的变成了了该项研讨工作的主导者之一。

在榜首篇 Nature 论文中，曹原团队致力于经过对扭转角的操控，将魔角特性推行到其他二维研讨体系，以调和谐操控电子-电子相互作用的强度，完成类似的物理行为。他们采用了一种全新的魔角石墨烯体系：依据小视点歪曲的双层-双层石墨烯（TBBG）。这是一种新的歪曲石墨烯结构，其石墨烯不是两层，而是四层。研讨观察到，与两层前身比较，新的四层“魔角”结构对某些电场和磁场更灵敏。就像由两层石墨烯制成的“魔角”结构相同，这种新的四层石墨烯结构显示出一种奇特的绝缘行为。

TBBG的结构和输运特性表征

在论文中，曹原团队介绍了一种依据TBBG的高度可调谐相关体系。研讨人员发现TBBG具有丰厚的相图性质以及对歪曲角和电位移场（displacement field）高度灵敏的可调相关绝缘态。

进一步地说，相关绝缘态能够依据电位移场的开/关状况进行改变。而相关态对磁场的呼应则标明自旋极化基态的存在，这与魔角歪曲双层石墨烯彻底不同。不仅如此，在更低的歪曲角范围内，TBBG在电中性区邻近展示了多系列的平带（flat band），导致了多种相关态的呈现，而且均能被电位移场所调控。研讨以为，这些成果为在歪曲超晶格中探究歪曲角/电场可控的相关相供给了时机。

TBBG中位移场可调的相关绝缘态

曹原说：这个体系是高度可调谐的，这在某种程度上预示着咱们有很大的“操控力”，这将能让咱们研讨用单层“魔角”石墨烯无法了解的东西。现在还处于该范畴的前期阶段，就现在而言，物理界仍对其现象入神。

在第二篇 Nature 论文中，曹原团队初次对整个歪曲石墨烯结构进行了成像和制作，展示了魔角歪曲双层石墨烯（magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG）的研讨。

他们与魏茨曼科学研讨所的研讨人员合作开发了一种被称为“扫描纳米SQUID”的扫描技能，SQUID代表超导量子干与设备，这是一项令人惊叹的技能，能够捕捉到间隔1.1度不到0.002度的细小视点改变，空间分辨率也为几个莫尔周期。

使用纳米级针尖扫描超导量子干与设备（SQUID-on-tip）取得量子霍尔态下朗道能级的断层图画，并制作六方氮化硼（hBN）封装的 MATBG 器材的部分 θ 改变图，相对精度到达 0.002 度。

最终，研讨者确立了 θ 无序作为非传统无序类型的重要性，然后能够将歪曲角梯度用于能带结构工程，以及器材使用的门可调谐内置平面电场

这两项研讨成果展示了曹原在石墨烯双向电子学方面最新打破和发展。出生于1996年的曹原在11岁时曾用短短三年的时刻，先后读完小学六年级、初中和高中的课程，而且通晓中英日三国言语。在2010年，才14岁的曹原就以669的高考成果被中科大少年班选取。进入了“严济慈物理英才班”，18岁的曹原进入了麻省理工攻读博士进行愈加深化的学习研讨，22岁就渐渐的变成了了开宗立派的科学新星。

曹原从来不以为自己是天才，他他很喜爱滑雪，也特别喜爱仰视星空。喜爱弹钢琴，还会画动漫插画…他曾说“究竟我也是用四年时刻读完大学本科，仅仅从前跳过了中学里一些无趣的部分。”