“天才少年”曹原研究的是啥,你知道吗?

来源:科普中国发布时间:2020-05-18

“摩尔超晶格”到底是个啥?

  相信不少搞科研(搬砖)的小伙伴们最近又双叒被大神曹原的新闻刷屏(深深刺激)了。犹记得,那是2018年的春天,彼时还没有疫情肆虐,天才少年曹原以魔角(约1.1°)双层石墨烯的工作在顶级期刊Nature上背靠背发表了两篇文章,一时惊艳了整个科研圈!

  时隔两年,少年还是从前那个少年:我一篇Nature都不发,要发只发两篇…

  

  (鼓掌动图)

  20205月,曹原和他的导师及合作者在Nature上报道了转角双层-双层石墨烯以及利用nano-SQUID(纳米超导量子干涉仪)表征转角双层石墨烯中角度非均一性问题的两项相关工作,将转角电子学领域推向了又一个高潮。

  实际上,自20183月魔角双层石墨烯问世以来,和转角二维材料有关的科研工作至今已经有超过13项发表在NatureScience两大顶级期刊上了(预警提示:即将又有一大波工作,正在NatureScience发表的路上…)。

  看着这些如潮水般的顶级科研工作,笔者忍不住想说,真香!

  这魔角怎么有这么大的魔力?今天,笔者就和大家闲聊一下“转角”的各种“八卦”。

  他研究的东西 你也可以在家模拟?

  首先,大家肯定都好奇,这些发表在顶级期刊上的工作,它们研究的究竟是神马东西?

  科学上的术语,称呼为:摩尔超晶格。

  摩尔超晶格本质上是两套空间分布相近的格子叠加在一起相互干涉形成的一套低频、长周期的新格子。通俗地讲,两套格子在空间堆叠上,时而密集,时而稀疏,这种疏密的周期分布形成了所谓的摩尔条纹。

  摩尔条纹在我们的日常生活中常常可以见到。例如,用手机拍摄电脑屏幕时,生成的照片上常常伴随着肉眼可见的畸形条纹。这是因为电脑屏幕的发光元件阵列和手机摄像头里的CCDCMOS感光元件组成了两套相近的格子,它们相互叠加形成了摩尔条纹。摩尔条纹的图样和格子间的转角密切相关。感兴趣的童鞋,可以在身边寻找两套相同的格子(譬如窗纱),手动旋转它们,观察摩尔条纹的变化。

  

  手机拍摄电脑屏幕产生的摩尔条纹(图片:作者自制)

  

  旋转两层相同大小的六方格子形成周期更大的摩尔条纹(图片:作者自制)

  尽管摩尔条纹给电子显示和拍摄带来不小麻烦,科学家却想到了利用二维材料中的摩尔条纹去观察新的物理现象。只需要将窗纱换成晶格接近或者相同的两层二维材料,并且小角度堆叠在一起,便可以构筑二维的微观摩尔条纹,即二维摩尔超晶格(曹原便是将窗纱换成了两层石墨烯,两层石墨烯间旋转约1.1°)。

  这里,笔者顺便科普一下二维材料。

  二维材料,顾名思义,它的厚度薄到可以将之视为二维极限。常见的二维材料包括石墨烯(石墨的基本组成单元,只含有一层碳原子,碳原子按照六角蜂窝状周期排列)、薄层过渡金属硫化物(如二硫化钼MoS2等,通常是良好的半导体材料)。由于二维材料太薄,两层二维材料的界面便能代表整体的性质。因此,二维材料被视为摩尔超晶格研究的最合适载体之一。

  

  石墨烯的晶格示意图(每个小球为碳原子,图片来源:维基百科)

  他是发现了高温超导机制吗?

   著名科幻作家刘慈欣在的代表作《三体》中描绘了由三个恒星体组成的世界。三个恒星靠万有引力彼此紧密关联,它们的运动波云诡谲,不可预测,给三体文明带来了巨大的灾难。

  三体问题是最简单的多体问题,却足以困扰人类至今。当物体数N≥3时,体系的动力学问题无法严格求解(人们往往根据实际情况,采用各种近似的方法)。而在基础物理研究领域,由多个彼此关联的对象(包括电子、原子等)组成的多体体系,它们表现出的物理性质往往超出了既有知识的理解。

  著名物理学家、诺贝尔奖得主Philip W. Anderson教授(已于20203月与世长辞)曾经留下著名的一句话“More is different”,便是指多体关联作用能带来新的物理。

  

  Philip W. Anderson1923.12.13-2020.3.29

  在现实的材料中,电子之间可以靠静电相互作用(库伦作用力)彼此关联在一起,它们的多体关联往往诱导出奇特的物理性质。譬如,在铜基的陶瓷材料中,科学家发现它的超导转变温度可以大幅提升至液氮的沸点温度以上,因此具有很高的实用价值(中国科学家在这个领域做出了突出贡献)。实现室温的超导转变,对未来的能源和交通发展将会产生革命性影响。

  因此,在基础物理研究上,寻找这样的强关联体系并挖掘其中的物理奥秘,一直是一项非常重大的课题。而我们今天重点介绍的转角摩尔超晶格,便是一个很好的多体关联体系。

  时间要追溯到2011年。尽管当时人们已经认识到将两层石墨烯以一定的转角堆叠起来,可以形成二维摩尔超晶格,并带来新的物理现象。但是,直到美国的理论物理学家Allan H. MacDonald教授和Rafi Bistritzer博士计算出转角为1.1°的双层石墨烯超晶格中电子的速度会大幅降低,人们才开始逐渐认识到1.1°转角双层石墨烯超晶格蕴含了丰富的多体强关联物理。

  为了让大家更明白这其中的奥秘,笔者举一个简单例子。

  考虑一个子弹射击年糕的情形,年糕对子弹的粘附力类比于电子间的静电相互作用力,子弹的速度类比于电子的速度。当子弹的速度极快时,子弹轻松击穿年糕,年糕几乎对子弹没有什么影响;而当子弹的速度很慢时,子弹会被年糕黏住。

  电子的速度和相互作用力,便是这样的一对竞争关系。在单层石墨烯中,电子的速度可以达到光速的1/30,速度极快(相对论效应都出来了),电子间的相互作用力很多时候可以忽略不计。而在1.1°转角双层石墨烯超晶格中,电子的速度几乎接近于零,多体的相互作用便占据上风了,转角石墨烯超晶格由此成为典型的多体模型(具体的关于电子速度为啥会大幅下降,感兴趣的童鞋可以自行查阅相关文献)。

  

  魔角双层石墨烯模型(图片来源:Nature杂志网站)

  子弹被年糕黏住的结果,反映在魔角石墨烯超晶格中,就是原本的电子金属态可以转变为绝缘态。

  在理论预测之后,实验科学家开始尝试利用各种方法去制备这样的转角石墨烯超晶格样品,并观测其中的多体物理现象。

  2018年,曹原和他的导师Pablo Jarillo-Herrero教授率先实现了魔角双层石墨烯样品的制备,并在低温下(约零下270℃)观测到金属态到绝缘态的转变。令人震惊的是,他们意外地发现,如果向转变后的绝缘态添加一定量的电子,居然能诱导出超导现象!这种行为和我们上文介绍的铜基超导体很像。

  因此,魔角双层石墨烯对于认识高温超导机制具有重要作用(并不是说曹原的工作发现了高温超导机制甚至实现了室温超导,此处严肃批判某些媒体对此的错误报道)。

  

  曹原和他发现的魔角双层石墨烯超导现象(图片来源:Nature杂志网站)

  由于转角石墨烯的突破性进展,Pablo Jarillo-Herrero教授获得了2020年巴克利奖(凝聚态物理最高奖);Pablo Jarillo-HerreroAllan H. MacDonaldRafi Bistritzer共同获得2020年沃尔夫奖。

  

  从左至右依次为:Pablo Jarillo-HerreroAllan H. MacDonaldRafi Bistritzer(图片来源:Wolf Prize官网)

  转角,为什么在科研界爆红?

  转角石墨烯中电子的多体相互作用带来的有趣物理现象迅速吸引了人们大量的关注。在2019年,物理学家发现了该体系里还存在着丰富的量子物态。对基础物理稍微关注的童鞋,可能听说过清华大学薛其坤院士发现量子反常霍尔效应的工作(被杨振宁先生称为“诺奖级的成果”)。在魔角双层石墨烯中,同样可以实现量子反常霍尔效应。

  

  魔角双层石墨烯中的量子反常霍尔效应(图片来源:Science杂志网站)

  基于这些重大成果,一个新的研究领域——转角电子学,应运而生了。该领域可以大致分为两个方向(纵向和横向):纵向上,深入挖掘和理解该体系里的新奇物理现象,包括我们上文提到的超导和量子反常霍尔效应;横向上,寻找更多的转角多体关联体系。

  文章开头提到的曹原今年的两篇Nature之一,在转角双层-双层石墨烯超晶格中发现金属-绝缘态转变的工作,就属于后者(值得注意的是,中科院的团队也做出了同样的工作)。除了将两个单层或者两个双层石墨烯堆叠在一起,科学家后来发现,几乎绝大部分的二维材料以某种角度堆叠形成合适的摩尔超晶格后,都可以演变为电子的多体强关联体系(已经有多个相关工作发表在NatureScience杂志上)。

  兼顾“深”与“广”,这可能是“转角”为什么在科研界爆红的原因吧!

  

  Nature三连:2020年发表在Nature期刊上关于其他二维材料转角超晶格的三篇文章(发表时间分别为20203月,20203月,20205月)

原标题:你知道“天才少年”曹原研究的是啥吗?

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