2018年12月18日，英国《自然》周刊发布了2018年度影响世界的十大科学人物，位居榜首的是年仅21岁、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。在2018年，曹原发表了两篇关于原子厚度的碳层中奇怪行为的论文，发现了让石墨烯实现超导的方法，开创了物理学一个全新的研究领域，有望大大地提高能源利用效率与传输效率。《自然》周刊称曹原为“石墨烯驾驭者”。

关键词：石墨烯、高温超导

这两篇Nature的论文发表于2018年3月5日。第一篇的标题是“Correlated insulator behaviour athalf-filling in magic-angle graphene superlattices”  （https://www.nature.com/articles/nature26154），中文意思是《在魔法角度下石墨烯超晶格中的半充满关联绝缘体行为》。

第二篇的标题是“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”（https://www.nature.com/articles/nature26160），中文意思是《在魔法角度下石墨烯超晶格中的非传统超导性》。

为什么一个研究写成两篇文章呢？因为这是紧密相连的两个结果，在科学上大家更关心第二个结果，但第二个结果是以第一个结果为基础的，所以很自然地分成两篇文章。现在我们来解读一下，这两篇文章说了些什么。

· 什么是石墨烯？什么是超导？

你可能听说过，世界上有一样东西叫做“石墨烯”。学过初中化学的人，应该都知道石墨的结构，它是一种碳的单质，由一层层的平面层叠而成。石墨烯，就是单层的石墨。听起来很容易理解，是吧？但是在很长的时间里，人们并没有制备出石墨烯。直到2004年，才有两位科学家Andre Geim和Konstantin Sergeevich Novoselov用一种神奇的办法制备出了石墨烯。什么办法呢？用胶带撕！

石墨烯

就这样，这两个异想天开的家伙获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

人们已经发现，石墨烯有许多优秀的性质，例如强度比钢铁还高，导电性比铜还好。不过这次曹原等人的新成果，更加令人脑洞大开：石墨烯可以超导！

超导是什么？超导就是电阻为零。一般的物体都有电阻，电流会导致发热，这就会损失能量。但在超导体中，电能不会转化成热能，所以电流可以无限地持续下去。想想看，如果导线都不损失能量了，世界会发生多大的改变！

目前，所有已知的物质在室温下都是超导的。只是有些物质，在温度降到一定程度的时候，电阻会从有限值突然降成零，变成超导体。这是一个突变，不是渐变，这个突变的温度叫做超导转变温度，是超导研究中大家最关心的一个量。

一个有趣的事实是，人们还无法预测哪些物质会超导。实际上，许多导电性很好的物质是不会变成超导体的，例如铜和银，在室温下电阻就很低，但你无论把它的温度降到多低，也从来没有看到它的电阻变成零。反而是一些在室温下导电性不太好的物质，例如水银，也就是汞，在低温下可以变成超导体。目前，在常压下最高的超导转变温度是零下135摄氏度，对应的物质是某种铜氧化物。

这里有一个小小的知识点，对我们下面的叙述很有用。比起摄氏温标来，科学界更喜欢用绝对温标，或者叫做热力学温标。它的定义是，把零下273.15摄氏度定义为绝对零度，在此之上每一度的间隔都跟摄氏度相同。绝对温标的单位叫做开尔文（Kelvin），简写为K，所以零下135摄氏度就约等于138 K。为什么绝对温标比摄氏温标好用呢？因为大自然不会出现绝对零度以下的温度。

我们再次强调一下，室温超导还从来没有实现过。科学界经常把铜氧化物的超导称为高温超导，但千万不要被这个名字欺骗了，这个所谓“高温”的意思仅仅是超过液氮的温度而已，也就是超过77 K，离室温（约300 K）还远着呢！请大家一定记住，在超导这个领域，室温比高温要高，——你不妨把这当作一种魔幻现实主义的语言。

名称是小问题，无论你怎么称呼，都不会改变现实世界的运行规律。真正令人头疼的是，铜氧化物的超导原理，到现在还是如坠云雾之中。

传统上，人们对于一些简单物质例如水银的超导，已经提出了一种成功的解释，叫做BCS理论。BCS这个名字是它的三位提出者John Bardeen、Leon N Cooper和John Robert Schrieffer的姓氏首字母缩写，他们三人因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。但是，在BCS理论的框架内，超导转变温度很难超过40 K。

巴丁（John Bardeen）

库珀（Leon N Cooper） 

施里弗（John Robert Schrieffer）

· 高温超导的新线索

好，现在我们可以说回曹原等人的工作了。他们究竟做了些什么？石墨烯超导又意味着什么？

以前对石墨烯的研究，针对的都是单层的石墨烯。不过最近有理论家预言，如果你取两层石墨烯，并且让它们之间偏转1.1度左右，就有可能出现一些新的性质，虽然还不确定是什么性质。

曹原等人做的，就是这样的实验。他们发现，在这个偏转角下，双层石墨烯的体系表现出了惊人的性质，所以他们把这个角度称为魔法角度，magic-angle。什么惊人的性质呢？

无偏转（左）和偏转1.1度（右）的双层石墨烯

第一个惊人的性质，是这个体系成了莫特绝缘体。

什么叫做莫特绝缘体？莫特（Nevill Francis Mott）是1977年的诺贝尔物理学奖获得者，而莫特绝缘体指的是这样一种体系：根据最基础的导电性理论，它应该是导体，但由于某种超越基础理论的高级因素，它实际上却是绝缘体。这种超越基础理论的高级因素，就叫做“关联”（correlation），指的是电子之间的瞬间相互作用。

更具体地说，在莫特绝缘体中，平均每个原子有一个价电子。但这些电子之间的排斥作用很强，如果让两个电子同时出现在一个原子上，就会付出很大的代价。结果是电子们只好“一个萝卜一个坑”地待在相应的原子上，谁也不能动，卡位卡得很成功，所以整个体系成了绝缘体。

回顾一下第一篇论文的标题，《在魔法角度下石墨烯超晶格中的半充满关联绝缘体行为》，说的就是这个体系在关联的作用下，成了莫特绝缘体。

第二个惊人的性质，是这个莫特绝缘体，在一定的条件下，又会变成超导体。什么条件呢？加个门电压，向体系中注入电子。这就是第二篇论文的标题，《在魔法角度下石墨烯超晶格中的非传统超导性》。曹原等人发现，这个体系的超导转变温度是1.7 K。

这两个性质之所以惊人，是因为了解超导的人一眼就可以看出来，这是典型的铜氧化物的行为。许多铜氧化物就是如此，本身是莫特绝缘体，但你如果通过掺杂改变化学组成之类的办法注入或者拿走一些电子，破坏掉原来“一个萝卜一个坑”的僵持局面，它一下子就变成了超导体。绝缘体和超导体相距得如此之近，这就是高温超导的一个典型表现！

现在我们可以理解，曹原等人的工作，重要性在哪里了。这个1.7 K的超导，本身没有实用价值，但是它给铜氧化物的超导提供了一条全新的线索。

（责任编辑 周凯）

（转载自“风云之声”公众号 ）