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登顶《自然》年度人物 曹原知乎谈贡献:论文提供一套研究体系

[摘要]曹原总结道:第一篇文章提供了一种全新的、可调节的平台用来研究电子-电子的强关联效应,第二篇文章的意义在于提供了一个前所未有的体系以供物理学家研究困扰了30年之久的高温超导之惑。

腾讯科技讯 12月24日消息,《人民日报》一篇名为《曹原有多牛》的文章刷爆朋友圈。

刷屏的起因是,世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志上周发布了2018年度科学人物,位居榜首的是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。

今年3月5日,《自然》发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。曹原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,而他也成为以第一作者身份在该杂志上发表论文的最年轻的中国学者。

曹原的理论贡献究竟有多大?今年3月,曹原亲自在知乎平台回答了这个问题。曹原总结道:第一篇文章提供了一种全新的、可调节的平台用来研究电子-电子的强关联效应,第二篇文章的意义在于提供了一个前所未有的体系以供物理学家研究困扰了30年之久的高温超导之惑。

以下为曹原回答原文:

第一篇文章主要描述了在旋转双层石墨烯(Twisted Bilayer Graphene)在转角接近魔角(Magic angle, 正常条件下约为1.1°)时,能带结构会接近于一个零色散的能带(flat band),从而可能导致在这个能带(实质上是两个,分别处在相对于石墨烯狄拉克点的负掺杂和正掺杂)被半填充的时候会经过一个金属-绝缘体转变变成一个莫特绝缘体(Mott Insulator)。

在实验中我们以确凿的证据观测到了这个绝缘相,并分析了其对温度和磁场的响应。这篇工作的主要意义在于提供了一种全新的、可调节的平台用来研究电子-电子的强关联效应。

那么具体有什么有趣的强关联效应可以研究呢?最有名的强关联体系莫过于铜氧化物(cuprate)中的高温超导转变了。在改进了实验条件和仪器设备之后我们就发现了少量掺杂上文中提及的莫特绝缘体相就会发生超导相变,并且在多个样品中观察到了类似的现象。这就是第二篇文章的主要内容。

虽然超导转变温度大概在1 K (开尔文)左右并不算高,但是因为到石墨烯在前述条件下极低的载流子浓度(10^11 cm^-2),其实这个转变温度是非常高的(铜氧化物的Tc~100 K,而等效二维载流子浓度是在10^14 cm^-2的量级上,高了不止两个数量级。

为什么转变温度和载流子浓度一定要成正比?简单的说,载流子浓度决定了超导转变温度的上限,而实际的转变温度距离这个上限越近就说明电子-电子关联更强,更接近于BCS-BEC转变)。这种超导转变和前些年在硫化钼(MoS2)、STO/LAO氧化物界面等二维体系中通过强掺杂产生的超导转变是完全不同的,后者可以在BCS理论的框架下得以解释(掺杂之后态密度(DOS)会增大,从而导致转变温度的指数增加)。

所以我们推测,在旋转双层石墨烯中的超导转变很有可能与铜氧化物的超导机制有极大的相似性。如果有人问这项工作有什么实际应用,那短期内估计是没有的,但是本篇工作的主要意义在于提供了一个前所未有的体系以供物理学家研究困扰了30年之久的高温超导之惑。

在一个相似但更加可调控的体系中研究高温超导问题也是冷原子方向近年来非常前沿的一个方向,虽然至今为止还没有成功用冷原子系统模拟出通过掺杂莫特绝缘相获得的超导相(莫特绝缘相已经在2017年被Harvard的Greiner实验室实现。

从另外一个方面讲,仅用纯碳基的石墨烯来实现超导相也是人们期待已久的(因为石墨烯有各种奇特的性质比如高电导率、透光率、机械强度、稳定性等等,但是唯独超导至今尚未实现),所以也算是这项工作的一个亮点之一。其他回答里也提到了,后续的研究方向包括这种奇特的超导相的对称性(pairing symmetry)、赝能隙(pseudo gap)、向列相(nematic phase, 2018/03/08纠正)等等等等。我们希望后续研究能够提供更多信息关于什么是高温超导中必须的元素。

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责任编辑:sayaliu
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