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95后天才少年一天两登Nature,石墨烯研究新突破

时间:2020-05-12 来源:本网  作者:佚名   点击:

  “少年智则国智,少年强则国强,少年进步则国进步。”

  ——梁启超《少年中国说》

  最近又出了一个让我们中国人引以为傲的事情,我国“天才少年”中科大10级少年班校友、美国麻省理工学院“95后”博士生曹原分别以第一作者兼共同通讯作者、共同第一作者的身份在最新一期Nature连发两篇论文。

  上次这位“天才少年”曹原出名还是因为他在2018年3月6日在Nature上以第一作者发表的论文中阐述了让石墨烯实现超导的方法。因此,曹原也被誉为“石墨烯的驾驭者”。他的论文刊登后立即在整个物理学界引起巨大反响,一些报道称其“一举解决了困扰世界107年的难题”。2018年,曹原登上了2018年Nature年度人物榜,并被一些报道称为“中国潜在的最年轻的诺贝尔奖获得者”。

  石墨烯源自于石墨。石墨是由多层碳原子层组成,每层中的碳原子以蜂窝状的多个六边形排列在一起,每层之间的距离大约0.335纳米。石墨烯则是把石墨的多层结构剥离成一层一层的结构后得到的材料。也是因为它特殊结构,石墨烯具有优异的力学、电学、磁学和热学性能,而曹原发现的就是曾困扰物理学界很多年的让石墨烯实现超导的方法。

  曹原的研究是把两层石墨烯堆叠在一起,然后通过旋转两层产生不同的角度来研究其导电能力。当他把角度旋转到1.1度,并且把温度降低至1.7开尔文(即比绝对零度高了1.7度,-271.45摄氏度),这种双层石墨烯材料表现出了超导现象,成为零电阻、完全抗磁性的超导体。曹原制备出的石墨烯超导体属于低温超导体,其超导临界温度远低于冰点0 ℃,所以这种材料并非室温超导体。

  此次再次引爆科学界的是在伦敦时间5月6日,曹原与其博导Pablo Jarillo-Herrero背靠背在Nature上连发的两篇介绍魔角石墨烯研究的新突破的论文。在第一篇Nature论文中,曹原等人致力于通过对扭转角的控制,将魔角特性推广到其他二维研究体系,以调谐和控制电子—电子相互作用的强度,实现相似的物理行为。研究结果将为探索多平带双扭超晶格中扭角和电场控制的相关物质相提供理论依据。曹原为这篇论文的第一作者,并与导师共同为文章通讯作者。通讯作者通常由教授等课题组长担任。而曹原成为通讯作者,则说明他是论文的主要创意贡献者之一。

  在第二篇发表在Nature的论文中,曹原与其他两位作者并列文章第一作者。在这项研究中,曹原等人致力于研究扭曲角的分布信息。他们以六方氮化硼(hBN)封装的MATBG为研究对象,通过使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置(SQUID-on-tip)获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像,并绘制了局部θ变化图。这项研究为相关物理现象的实现和应用提供了指导。

  之所以在2018年很多媒体奖曹原的发现称作为“一举解决了困扰世界107年的难题”,是因为“超导体”最早发现于1911年,超导体能将电子损失降到0的传输材质,其有助于大幅降低电力传输过程中的巨大能源损耗。但令人遗憾的是,要想实现这种传输条件,环境必须在绝对零度(零下273摄氏度)之下。此后,无数科学家前赴后继,希望研制出能在常温条件下实现“超导体”性能的材料,但均以失败告终。曹原的贡献在于发现了让石墨烯实现超导的方法。具体而言,就是发现了当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度(魔角)时,就会产生以0电阻传输电子的神奇超导效应。

  除了节能,石墨烯,尤其是氧化石墨烯的吸附能力强,无论是对氟离子、铅离子,还是铜离子、镉离子等都具有很强的吸附和去除能力。目前我国不少企业也在研究石墨烯新材料在黑臭水体治理、海水淡化等领域的作用,且在实际的技术研究中取得了不少成果。目前已有研究团队着手利用石墨烯对电子垃圾进行筛选和处理。由于电子垃圾本身就具有高附加值,石墨烯材料应用于金属离子吸附和回收效率颇高。也因为石墨烯的这一特质,目前也有不少企业开始研究起对于土壤重金属污染治理中的应用。

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