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科技 | 天才少年曹原,究竟做了什么“石破惊天”的事情?
发布时间:2019-06-05
 


最近,科大少年班曹原火了。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?!



这究竟是怎么回事?


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”(nature.com/articles/nat),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”(nature.com/articles/nat),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,人们并没有制备出石墨烯。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!


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。


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。


我们强调一下,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。


在理论方面,铜氧化物超导的机理却完全搞不清楚。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。


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(零下270多度)。


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”(nature.com/articles/d41),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。



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。


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。


少年强,则中国强。感觉从90后开始的中国少年,真是太强大了。中华民族的伟大复兴,指日可待!


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