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石墨烯超导和21岁博士生:对科学的宣传要高调,对个人的宣传要低调 | 袁岚峰

2018-03-31  振王府图...


导读

曹原等人发现的偏转1.1度的双层石墨烯中1.7 K的超导,给高温超导提供了新线索。诺贝尔奖得主拉夫林说:“为了理解铜氧化物,物理学家已经在黑暗中摸索了30年,我们中的许多人认为有一盏灯刚刚被点亮了。”对年轻学子,建议媒体采取一种“保护性低调”的态度。

最近,我的科大师弟曹原火了。媒体疯传他作为21岁的博士研究生,做出了一个非常重要的研究,在世界顶级科学期刊Nature的同一期上连续发表了两篇论文。来感受一下,许多自媒体的报道是这种画风:刚刚,这个中国人一记神操作,竟解决了困扰全球百年的难题,全球震惊!而他究竟有多年轻,你可能想都想不到?!


许多人来问我这究竟是怎么回事,其中包括我非常尊敬的前辈朋友、中国科学院院士、著名的地质学家李曙光教授。刚好,曹原师弟的这个研究跟我的专业比较接近,我大致可以向公众解释一下,解答李曙光老师和诸位朋友们的疑问。


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 graphenesuperlattices”(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。


石墨烯


听起来很容易理解,是吧?但是在很长的时间里,人们根本没有想到要去制备石墨烯。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!


(此处应有哄笑)


姚明发来贺电


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不超导的。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,例如铜和铝,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。


魔幻现实主义的名著《百年孤独》


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 RobertSchrieffer)


1986年,两位科学家Johannes Georg Bednorz和Karl Alexander Müller发现了一类新的超导体系,就是铜氧化物。由于具备高温超导特性,这个领域迅速成为最火热的物理学研究热点,他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。


贝德纳兹(Johannes GeorgBednorz)

穆勒(Karl Alexander Müller)


全世界的实验物理学家们,开始以疯狂的热情,夜以继日地尝试铜氧化物的各种元素组成和比例,就像做排列组合似的,这种做法也常被比喻为炒菜。经过这种地毯式的搜索,果然找到了一些超导转变温度很高的体系,典型的例子如钇钡铜氧(Y-Ba-Cu-O)和铋锶钙铜氧(Bi-Sr-Ca-Cu-O)。在这个过程中,中国厨师,哦,科学家们,也做出了很大贡献,例如朱经武、赵忠贤等人,这是值得我们喝彩的。


炒菜(动图)


但是在理论方面呢,铜氧化物超导的机理却完全搞不清楚。唯一可以肯定的是,不是BCS理论。想想看,全世界最聪明的理论物理学家们经过30年的艰苦努力,却仍然是众说纷纭,莫衷一是,没有人能解决问题,这是一个多么神奇的领域啊!


· 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。


莫特(Nevill Francis Mott)


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。


Nature是如此的重视曹原等人3月5日的这两篇论文,以至于在3月8日还刊发了一篇评论,标题叫做“Surprise graphene discoverycould unlock secrets of superconductivity”(https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w),中文意思是《惊人的石墨烯发现有可能解开超导的秘密》。其中提到,跟铜氧化物相比,层叠的石墨烯体系相对简单,理解起来要容易得多。因此,著名的理论物理学家、1998年诺贝尔物理学奖得主罗伯特·拉夫林(Robert Betts Laughlin)认为,这给出了一个令人目眩的暗示,就是铜氧化物的超导性一向就是简单的,它只是不容易准确计算而已。


拉夫林(Robert BettsLaughlin)


我们还不知道双层石墨烯和铜氧化物的超导机理是不是真的相同,也不知道铜氧化物的性质是不是都会出现在双层石墨烯当中,但是这些实验的结果已经给了我们足够的理由,来谨慎地庆祝一下。拉夫林说:“为了理解铜氧化物,物理学家已经在黑暗中摸索了30年,我们中的许多人认为有一盏灯刚刚被点亮了。”


说完了Nature的评论文章,我们现在要给读者一个提醒。高温超导在以前已经有过多次热潮,好几次看起来似乎要解决了,但结果还是更大的困惑。所以许多人已经退出了这个领域:实在是玩不起,不陪你玩了行不行啊?这次的突破会导致多大的收获,目前还在未定之天,只有更多的研究才能告诉我们结果。


我的一些理论物理学家朋友指出,高温超导之所以难以理解,核心问题之一就是,物理学的绝大部分计算都是基于微扰展开的方法。只要展开参数足够小,就可以只取微扰展开的最前面几项,使问题得到极大的简化。但是对于铜氧化物高温超导,微扰展开已经被证明是条死路。真的要理解铜氧化物,就必须发展非微扰的计算方法,这是一个巨大的挑战。从这个角度来看,即使双层石墨烯跟铜氧化物很相似,也不见得能立刻带来多大的帮助。如果基础理论没有突破,有一个体系我理解不了,你再给我三个五个类似的体系,我不还是理解不了嘛。——你是不是想起了《三体》里的“智子封锁”?


现在我们可以理解,像许多自媒体传的那样,“这个中国人一记神操作,竟解决了困扰全球百年的难题,全球震惊!”诸如此类的宣传,都是夸大其词的。孟子说:“有不虞之誉,有求全之毁。”我们应该实事求是,既不要捧杀,也不要棒杀。


· 对科学的宣传要高调,对个人的宣传要低调


我们再来谈谈,如何看待曹原同学。曹原是科大2010级少年班的师弟,跟我一样都是14岁上的科大。他的学习和科研成绩都是非常出色的,我在这里衷心地祝贺和祝福他,也非常高兴他为我国以至于全世界的学子,做出了一个很好的榜样。


不过,他毕竟还很年轻,正在成长的阶段。而且按照学术界的惯例,这项成果最大的功劳要归于论文的通讯作者,也就是他的导师、麻省理工学院物理系的副教授Pablo Jarillo-Herrero博士,其次才是第一作者曹原,然后还有论文的其他若干位作者。大家不妨仔细看一下这两篇文章,其他的作者还很多,而且其中也有中国人。


我们要注意,作为学生的成果再多,跟作为负责人的成果还是两回事。一个人在学术界能够走多远,归根结底是取决于他作为研究负责人的能力。因此,我希望媒体保持专业性,不要只想着炒作自己,而应该多为活生生的人着想,不要过早过多地去打扰曹原同学,让他保持平常心,在正常的环境里成长。这是一个专业问题,也是一个公德问题。


说得更直白一点,我建议媒体对年轻学子采取一种“保护性低调”的态度。《古惑仔》电影里,洪兴的老大蒋天养经常说:“社团的事要低调,赚钱的事要高调。”在这里,我对媒体的建议是:对科学的宣传要高调,对个人的宣传要低调。


诸位也许还希望我谈谈,如何看待少年大学生和所谓人才外流的问题。关于这些问题,我确实有很多可说的。不过因为可说的太多了,而篇幅有限,所以让我们以后再详谈。


今天,我希望大家最关心的不是这些俗世的争吵喧闹,而是科学独特的魅力。一个久攻不克的经典难题,通过另一个领域里看似完全八竿子打不着的研究获得了新的线索,重新燃起了希望之火,暗示着我们可能面临一个简单而出人意料的答案,这不是非常神奇和美妙吗?


正如李政道经常引用的杜甫的两句诗:“细推物理须行乐,何用浮名绊此身。


细推物理须行乐,何用浮名绊此身


背景简介本文作者为袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员,科技与战略风云学会会长,青年科学家社会责任联盟理事,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。
致谢:感谢中国科学技术大学近代物理系副教授刘国柱博士在科学方面的指教。
责任编辑孙远

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