曹原在自然再连发两篇论文具体是什么有

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最近人们在热议，我国赴美留学生、年仅24岁的曹原，早在年22岁的他就连续两次以第一作者的身份在顶级期刊《自然》发表论文四篇，最近同一天又在《自然》上连发两篇论文。年轻有为的科学家曹原具体是什么样的成就？有什么样的重大意义？下面就他的成就及其意义做最简要的介绍。我们许多人都知道，石墨烯（Graphene）是一种由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，其结构简单而又精致。自年被发现以来，科学家发现石墨烯实际上异常坚固。尽管石墨烯不是金属，但其导电性能超高，比大多数金属都好。在年，曹原发现，当两片石墨烯以稍微偏移的“魔角”堆叠在一起时，新的“旋扭”的石墨烯结构却可以成为绝缘体，与历来普遍所认知的的石墨烯只具有的超导电性能完全相反。如图所示，两片石墨烯以略有偏移的“魔”角堆叠在一起，可以变成绝缘体或超导体。这是一个非常重要的发现，它正式开创了一个被称为“旋扭电子学”的新的科学领域。旋扭电子学，英语：Twistronics，来源于英语两个词：twist和electronics，即旋扭与电子的组合，这是一个对二维材料层之间通过“旋扭”的角度如何改变其电性能的新型科学研究领域。就如双层石墨烯材料所显示的从非导电性到超导电性的极大不同的电子行为，这取决于层之间的旋扭角度。术语旋扭电子学（Twistronics）由哈佛大学EfthimiosKaxiras研究小组在年对石墨烯超晶格的理论中首次引入（论文：Twistronics:ManipulatingtheElectronicPropertiesofTwo-dimensionalLayeredStructuresthroughtheirTwistAngle）。该研究论文使用了详细的量子力学计算，以减少两个石墨烯层之间的旋扭角的不确定性，这可能会在该二维系统中引发电子的异常行为。如下图所示，通过重叠两个歪斜薄片在六方点阵组成的碳原子石墨烯中的原子尺度“莫列波纹”。莫列波纹（Moirépatterns），是在数学、物理、艺术中研究的一种波纹图案，是将具有透明间隙的不透明直纹图案覆盖在另一个相似图案上位移或旋转时可能产生的大规模干涉。如下图所示旋转改变角度的效应。现在，曹原的研究团队在本周发表在《自然》杂志上的两篇论文中，报告了他们在旋扭电子学技术领域的最新进展。在第一篇研究论文中，首次对整个旋扭的石墨烯结构进行了成像和制图，其分辨率足够精细，在整个结构中能够看到局部扭曲角的非常微小的变化。结果显示出结构内的区域，其中石墨烯层之间的角度略微偏离了1.1度的平均偏移。研究团队以0.度的超高角度分辨率检测到了这些变化。这等效于能够从约两公里远的距离看到苹果相对于地平线的角度。他们发现，与具有较大扭曲角范围的结构相比，具有较小角度变化范围的结构具有更明显的奇异特性，例如绝缘性和超导性。麻省理工学院物理学教授Jarillo-Herrero说：“这是第一次绘制整个系统的图，以查看该系统在给定区域的旋扭角是多少。”“而且我们看到可能会有一点变化，但仍然显示出超导性和其他奇异的物理性质，但是不能太多。现在可以具体描述可以有多少旋扭变化，以及它的太多的退化作用是什么？”在第二篇论文中，研究小组报告创建了一种新的旋扭石墨烯结构，该结构不是两层而是四层石墨烯。他们观察到，新的四层魔角结构与其前身的两层魔角结构相比，对某些电场和磁场更敏感。这表明研究人员可能能够更轻松和更可控制的程度上研究四层系统中的魔角石墨烯的奇异特性。曹原说：“这两项研究的目的是为了更好地理解旋扭电子学装置的令人困惑的物理行为。”“一旦了解，物理学家相信这些设备可以帮助设计和制造新一代的高温超导体，用于量子信息处理的拓扑设备和低能耗技术。”像保鲜膜上的皱纹自曹原研究团组首次发现魔角石墨烯以来，其他人纷纷抓住机会来观察和测量其特性。几组人使用扫描隧道显微镜或一种在原子级扫描表面的技术STM对魔角结构进行成像。但是，研究人员只能使用这种方法扫描最多数百平方纳米的小角度的魔角石墨烯。Jarillo-Herrero说：“在整个微米级的结构上观察数百万个原子是STM最不适合的。”“原则上可以做到，但要花费大量时间。”因此，研究小组开发了一种扫描技术，称之为“扫描纳米SQUID”（scanningnano-SQUID），其中SQUID代表超导量子干涉仪。超导量子干涉仪（英语：SuperconductingQUantumInterferenceDevice，简称SQUID），为一种极高灵敏度的磁力计，可用以探测极小磁场；其工作原理是利用包含约瑟夫森结的超导线圈。常规的SQUID类似于一个小两等分的环，其两半由超导材料制成，并通过两个结点连接在一起。SQUID可以安装在类似于STM的设备尖端周围，可以在微观尺度上测量样品流过环的磁场。当魔角石墨烯置于小磁场中时，由于形成所谓的“朗道能级”，它会在整个结构上产生持续电流。这些朗道能级以及由此产生的持续电流对局部扭曲角非常敏感，例如，这取决于局部扭曲角的精确值而导致产生大小不同的磁场。通过这种方式，扫描纳米SQUID技术可以检测到偏离1.1度的微小区域。Jarillo-Herrero说：“事实证明，这是一种了不起的技术，可以从1.1度获得0.度的微小角度变化。”“这对于映射魔角石墨烯非常有用。”研究小组使用该技术绘制了两个魔角结构：一个旋扭范围较小的结构，另一个旋扭范围较大的结构。Jarillo-Herrero说：“将一层石墨烯放在另一层石墨烯上，这类似于将塑料薄膜包裹在另一层塑料薄膜之上。”“会出现皱纹，并且两层的区域会有些扭曲，有些扭曲的程度会降低，就像我们在石墨烯中看到的那样。”他们发现，与具有更多旋扭变化的结构相比，具有较小旋扭变化范围的结构具有更奇特的物理特性，例如超导性。曹原说：“现在我们可以直接看到这些局部旋扭的变化，研究如何设计旋扭角的变化以在设备中实现不同的量子相位可能会很有趣。”可调物理学（Tunablephysics）在过去两年中，研究人员对石墨烯和其他材料的不同配置进行了实验，以观察将它们以一定角度旋扭是否会带来奇特的物理行为。研究小组想知道，如果魔角石墨烯扩展结构以抵消两个石墨烯层而不是四个石墨烯层，那么迷人的魔角物理学是否会保持下去。自从石墨烯在15年前被发现以来，已经揭示了有关其性质的大量信息，不仅是单张的，而且还可以多层堆叠和对齐，这种构造就如在石墨或铅笔中的铅。Jarillo-Herrero说：“彼此成0度角的两层石墨烯，即双层石墨烯，是我们对其特性了解得很好的系统，”“理论计算表明，在双层顶层结构中，发生有趣的物理作用的角度范围更大。因此，这种类型的结构在制造设备方面可能会更宽容。”在一定程度上受到了这一理论可能性的启发，研究人员制造了一种新的魔角结构，将一个石墨烯双层与另一个双层偏置了1.1度。然后，他们将新的“双层”双绞线结构连接到电池，施加电压，并将结构置于各种条件，例如磁场和垂直电场下时测量流过该设备的电流。就像由两层石墨烯制成的魔角结构一样，新的四层结构显示出奇特的绝缘性能。但是独特的是，研究人员能够通过电场上下调节这种绝缘性能，而这是两层魔角石墨烯所无法实现的。曹原说：“这个系统是高度可调的，这意味着我们拥有很多控制权，这将使我们能够研究单层魔角石墨烯中无法理解的事物。”参考：1.

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