曹原- 石墨烯

曹原一直记得，在他中学时候物理老师曾经告诉他们：“如果有人能够发现一种常温下的超导材料，那他就能改变世界。” 

2018年在《自然》杂志上以曹原为第一作者，关于“魔角”石墨烯的重磅论文。

这名中科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生: 曹原

他发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生神奇的超导效应。

论文中，石墨烯可以在两种极端的电性条件下发挥作用:作为绝缘体，在绝缘体中电子完全被阻止流动;作为一种超导体，电流可以毫无阻力地通过。

将两片石墨烯薄片堆叠在一起，形成了一个“超晶格”，不是精确地叠在一起，而是以1.1度的“神奇角度”轻轻旋转。结果，叠加的六角形蜂窝状图案被轻微偏移，形成了一个精确的云纹结构，预计会在石墨烯薄片中的电子之间引发奇怪的“强烈相关的相互作用”。

当以神奇的角度旋转时，两片石墨烯呈现出非导电行为，类似于一种被称为Mott绝缘体的奇特材料。

然后，施加电压，在石墨烯超晶格中添加少量电子时，发现在一定程度上，电子突破了最初的绝缘状态，并无阻力地流动，就像通过超导体一样。

对一个石墨烯晶格相对于另一个石墨烯晶格以“魔法角度”轻微旋转时形成的云纹图案的大规模解释。

材料导电的能力通常用能带来表示。

单个能带表示材料的电子能具有的能量范围。带之间有一个能隙，当一个带被填满时，电子必须包含额外的能量来克服这个能隙，以便占据下一个空带。

如果最后一个被占据的能带完全充满电子，材料就被认为是绝缘体。

另一方面，像金属这样的导电体表现出部分充满的能带，带着电子可以自由移动的空能态。然而，莫特绝缘体是一种材料，从它们的带结构上看是导电的，但当测量时，它们表现得像绝缘体。

具体地说，它们的能带是半满的，但由于电子之间的强静电相互作用(例如，同性电荷相互排斥)，这种材料不导电。半满带本质上分裂成两个微型的，几乎是平坦的带，电子完全占据一个带而留下另一个空带，因此表现为绝缘体。

所有的电子都被阻挡了，所以它是绝缘体，因为电子之间有很强的斥力，所以什么都不能流动。原来大多数高温超导体的母体化合物都是Mott绝缘体。”

换句话说，目前已经找到了操纵莫特绝缘体电子特性的方法，使它们在相对较高的100开尔文左右的温度下变成超导体。

为了做到这一点，他们用化学方法将这种材料与氧“混合”，氧的原子将电子从Mott绝缘体中吸引出来，为剩余的电子留下更多流动的空间。当加入足够的氧气时，绝缘体就会变成超导体。

在研究石墨烯的电子特性时，先从石墨中剥离一片石墨烯薄片，然后用涂有粘性聚合物和氮化硼绝缘材料的玻璃载玻片小心翼翼地将其中的一半剥离，从而创建了两层超晶格。然后他们非常轻微地旋转玻片，将石墨烯薄片的下半部分粘在玻片上。通过这种方式，将电极连接到每个设备上，测量通过的电流，然后根据通过的原始电流绘制出设备的电阻发现，石墨烯超晶格的旋转角度为1.1度，被预测为一个“神奇的角度”，其电子结构类似于扁平带结构，类似于Mott绝缘体，无论动量大小，所有电子都携带相同的能量。对于电子来说，这意味着，即使它们占据了一个半满的能带，一个电子也没有比其他电子更多的能量，来让它在这个能带中运动。因此，尽管这样的半填充带结构应该像导体一样工作，但它的行为却像绝缘体，更准确地说，是Mott绝缘体。如果能在这些类似于莫特绝缘体的超晶格中添加电子，单个电子与石墨烯中的其他电子结合在一起，使它们能够在以前无法流动的地方流动。

在整个过程中，继续测量这种材料的电阻，发现当加入一定数量的少量电子时，电流不会耗散能量，就像超导体一样。可以自由流动电流，不浪费能量，这表明石墨烯可以成为超导体。

更重要的是，能够调整石墨烯的性能，使其成为绝缘体或超导体，以及介于绝缘体和超导体之间的任何一种状态。 

而这种超导体的特征在于室温超导，是革命意义的！