石墨烯超導和21歲博士生：對科學的宣傳要高調，對個人的宣傳要低調 | 袁嵐峰

04-28

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解讀科學，洞察本質

戳穿忽悠，粉碎謠言

導讀

曹原等人發現的偏轉1.1度的雙層石墨烯中1.7 K的超導，給高溫超導提供了新線索。諾貝爾獎得主拉夫林說：「為了理解銅氧化物，物理學家已經在黑暗中摸索了30年，我們中的許多人認為有一盞燈剛剛被點亮了。」對年輕學子，建議媒體採取一種「保護性低調」的態度。

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最近，我的科大師弟曹原火了。媒體瘋傳他作為21歲的博士研究生，做出了一個非常重要的研究，在世界頂級科學期刊Nature的同一期上連續發表了兩篇論文。來感受一下，許多自媒體的報道是這種畫風：《剛剛，這個中國人一記神操作，竟解決了困擾全球百年的難題，全球震驚！而他究竟有多年輕，你可能想都想不到？！》

許多人來問我這究竟是怎麼回事，其中包括我非常尊敬的前輩朋友、中國科學院院士、著名的地質學家李曙光教授。剛好，曹原師弟的這個研究跟我的專業比較接近，我大致可以向公眾解釋一下，解答李曙光老師和諸位朋友們的疑問。

這兩篇Nature的論文發表於2018年3月5日。第一篇的標題是「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滿關聯絕緣體行為》。第二篇的標題是「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傳統超導性》。

為什麼一個研究寫成兩篇文章呢？因為這是緊密相連的兩個結果，在科學上大家更關心第二個結果，但第二個結果是以第一個結果為基礎的，所以很自然地分成兩篇文章。

現在我們來解讀一下，這兩篇文章說了些什麼。

· 什麼是石墨烯？什麼是超導？

你可能聽說過，世界上有一樣東西叫做「石墨烯」。學過初中化學的人，應該都知道石墨的結構，它是一種碳的單質，由一層層的平面層疊而成。石墨烯，就是單層的石墨。

石墨烯

聽起來很容易理解，是吧？但是在很長的時間裡，人們根本沒有想到要去製備石墨烯。直到2004年，才有兩位科學家Andre Geim和Konstantin Sergeevich Novoselov用一種神奇的辦法製備出了石墨烯。什麼辦法呢？用膠帶撕！

（此處應有鬨笑）

姚明發來賀電

就這樣，這兩個異想天開的傢伙獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

人們已經發現，石墨烯有許多優秀的性質，例如強度比鋼鐵還高，導電性比銅還好。不過這次曹原等人的新成果，更加令人腦洞大開：石墨烯可以超導！

超導是什麼？超導就是電阻為零。一般的物體都有電阻，電流會導致發熱，這就會損失能量。但在超導體中，電能不會轉化成熱能，所以電流可以無限地持續下去。想想看，如果導線都不損失能量了，世界會發生多大的改變！

目前，所有已知的物質在室溫下都是不超導的。只是有些物質，在溫度降到一定程度的時候，電阻會從有限值突然降成零，變成超導體。這是一個突變，不是漸變，這個突變的溫度叫做超導轉變溫度，是超導研究中大家最關心的一個量。

一個有趣的事實是，人們還無法預測哪些物質會超導。實際上，許多導電性很好的物質是不會變成超導體的，例如銅，在室溫下電阻就很低，但你無論把它的溫度降到多低，也從來沒有看到它的電阻變成零。反而是一些在室溫下導電性不太好的物質，例如水銀，也就是汞，在低溫下可以變成超導體。目前，在常壓下最高的超導轉變溫度是零下135攝氏度，對應的物質是某種銅氧化物。

這裡有一個小小的知識點，對我們下面的敘述很有用。比起攝氏溫標來，科學界更喜歡用絕對溫標，或者叫做熱力學溫標。它的定義是，把零下273.15攝氏度定義為絕對零度，在此之上每一度的間隔都跟攝氏度相同。絕對溫標的單位叫做開爾文（Kelvin），簡寫為K，所以零下135攝氏度就約等於138 K。為什麼絕對溫標比攝氏溫標好用呢？因為大自然不會出現絕對零度以下的溫度。

我們再次強調一下，室溫超導還從來沒有實現過。科學界經常把銅氧化物的超導稱為高溫超導，但千萬不要被這個名字欺騙了，這個所謂「高溫」的意思僅僅是超過液氮的溫度而已，也就是超過77 K，離室溫（約300 K）還遠著呢！請大家一定記住，在超導這個領域，室溫比高溫要高，——你不妨把這當作一種魔幻現實主義的語言。

魔幻現實主義的名著《百年孤獨》

名稱是小問題，無論你怎麼稱呼，都不會改變現實世界的運行規律。真正令人頭疼的是，銅氧化物的超導原理，到現在還是如墜雲霧之中。

傳統上，人們對於一些簡單物質例如水銀的超導，已經提出了一種成功的解釋，叫做BCS理論。BCS這個名字是它的三位提出者John Bardeen、Leon N Cooper和John Robert Schrieffer的姓氏首字母縮寫，他們三人因此獲得了1972年的諾貝爾物理學獎。但是，在BCS理論的框架內，超導轉變溫度很難超過40 K。

巴丁（John Bardeen）

庫珀（Leon N Cooper）

施里弗（John RobertSchrieffer）

1986年，兩位科學家Johannes Georg Bednorz和Karl Alexander Müller發現了一類新的超導體系，就是銅氧化物。由於具備高溫超導特性，這個領域迅速成為最火熱的物理學研究熱點，他們也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。

貝德納茲（Johannes GeorgBednorz）

穆勒（Karl Alexander Müller）

全世界的實驗物理學家們，開始以瘋狂的熱情，夜以繼日地嘗試銅氧化物的各種元素組成和比例，就像做排列組合似的，這種做法也常被比喻為炒菜。經過這種地毯式的搜索，果然找到了一些超導轉變溫度很高的體系，典型的例子如釔鋇銅氧（Y-Ba-Cu-O）和鉍鍶鈣銅氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）。在這個過程中，中國廚師，哦，科學家們，也做出了很大貢獻，例如朱經武、趙忠賢等人，這是值得我們喝彩的。

炒菜（動圖）

但是在理論方面呢，銅氧化物超導的機理卻完全搞不清楚。唯一可以肯定的是，不是BCS理論。想想看，全世界最聰明的理論物理學家們經過30年的艱苦努力，卻仍然是眾說紛紜，莫衷一是，沒有人能解決問題，這是一個多麼神奇的領域啊！

· 高溫超導的新線索

好，現在我們可以說回曹原等人的工作了。他們究竟做了些什麼？石墨烯超導又意味著什麼？

以前對石墨烯的研究，針對的都是單層的石墨烯。不過最近有理論家預言，如果你取兩層石墨烯，並且讓它們之間偏轉1.1度左右，就有可能出現一些新的性質，雖然還不確定是什麼性質。

曹原等人做的，就是這樣的實驗。他們發現，在這個偏轉角下，雙層石墨烯的體系表現出了驚人的性質，所以他們把這個角度稱為魔法角度，magic angle。什麼驚人的性質呢？

無偏轉（左）和偏轉1.1度（右）的雙層石墨烯

第一個驚人的性質，是這個體系成了莫特絕緣體。

什麼叫做莫特絕緣體？莫特（Nevill Francis Mott）是1977年的諾貝爾物理學獎獲得者，而莫特絕緣體指的是這樣一種體系：根據最基礎的導電性理論，它應該是導體，但由於某種超越基礎理論的高級因素，它實際上卻是絕緣體。這種超越基礎理論的高級因素，就叫做「關聯」（correlation），指的是電子之間的瞬間相互作用。

莫特（Nevill Francis Mott）

更具體地說，在莫特絕緣體中，平均每個原子有一個價電子。但這些電子之間的排斥作用很強，如果讓兩個電子同時出現在一個原子上，就會付出很大的代價。結果是電子們只好「一個蘿蔔一個坑」地待在相應的原子上，誰也不能動，卡位卡得很成功，所以整個體系成了絕緣體。

回顧一下第一篇論文的標題，《在魔法角度下石墨烯超晶格中的半充滿關聯絕緣體行為》，說的就是這個體系在關聯的作用下，成了莫特絕緣體。

第二個驚人的性質，是這個莫特絕緣體，在一定的條件下，又會變成超導體。什麼條件呢？加個門電壓，向體系中注入電子。這就是第二篇論文的標題，《在魔法角度下石墨烯超晶格中的非傳統超導性》。曹原等人發現，這個體系的超導轉變溫度是1.7 K。

這兩個性質之所以驚人，是因為了解超導的人一眼就可以看出來，這是典型的銅氧化物的行為。許多銅氧化物就是如此，本身是莫特絕緣體，但你如果通過摻雜改變化學組成之類的辦法注入或者拿走一些電子，破壞掉原來「一個蘿蔔一個坑」的僵持局面，它一下子就變成了超導體。絕緣體和超導體相距得如此之近，這就是高溫超導的一個典型表現！

現在我們可以理解，曹原等人的工作，重要性在哪裡了。這個1.7 K的超導，本身沒有實用價值，但是它給銅氧化物的超導提供了一條全新的線索。

Nature是如此的重視曹原等人3月5日的這兩篇論文，以至於在3月8日還刊發了一篇評論，標題叫做「Surprise graphene discoverycould unlock secrets of superconductivity」（https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w），中文意思是《驚人的石墨烯發現有可能解開超導的秘密》。其中提到，跟銅氧化物相比，層疊的石墨烯體系相對簡單，理解起來要容易得多。因此，著名的理論物理學家、1998年諾貝爾物理學獎得主羅伯特·拉夫林（Robert Betts Laughlin）認為，這給出了一個令人目眩的暗示，就是銅氧化物的超導性一向就是簡單的，它只是不容易準確計算而已。

拉夫林（Robert BettsLaughlin）

我們還不知道雙層石墨烯和銅氧化物的超導機理是不是真的相同，也不知道銅氧化物的性質是不是都會出現在雙層石墨烯當中，但是這些實驗的結果已經給了我們足夠的理由，來謹慎地慶祝一下。拉夫林說：「為了理解銅氧化物，物理學家已經在黑暗中摸索了30年，我們中的許多人認為有一盞燈剛剛被點亮了。」

說完了Nature的評論文章，我們現在要給讀者一個提醒。高溫超導在以前已經有過多次熱潮，好幾次看起來似乎要解決了，但結果還是更大的困惑。所以許多人已經退出了這個領域：實在是玩不起，不陪你玩了行不行啊？這次的突破會導致多大的收穫，目前還在未定之天，只有更多的研究才能告訴我們結果。

我的一些理論物理學家朋友指出，高溫超導之所以難以理解，核心問題之一就是，物理學的絕大部分計算都是基於微擾展開的方法。只要展開參數足夠小，就可以只取微擾展開的最前面幾項，使問題得到極大的簡化。但是對於銅氧化物高溫超導，微擾展開已經被證明是條死路。真的要理解銅氧化物，就必須發展非微擾的計算方法，這是一個巨大的挑戰。從這個角度來看，即使雙層石墨烯跟銅氧化物很相似，也不見得能立刻帶來多大的幫助。如果基礎理論沒有突破，有一個體系我理解不了，你再給我三個五個類似的體系，我不還是理解不了嘛。——你是不是想起了《三體》里的「智子封鎖」？

現在我們可以理解，像許多自媒體傳的那樣，「這個中國人一記神操作，竟解決了困擾全球百年的難題，全球震驚！」諸如此類的宣傳，都是誇大其詞的。孟子說：「有不虞之譽，有求全之毀。」我們應該實事求是，既不要捧殺，也不要棒殺。

· 對科學的宣傳要高調，對個人的宣傳要低調

我們再來談談，如何看待曹原同學。曹原是科大2010級少年班的師弟，跟我一樣都是14歲上的科大。他的學習和科研成績都是非常出色的，我在這裡衷心地祝賀和祝福他，也非常高興他為我國以至於全世界的學子，做出了一個很好的榜樣。

不過，他畢竟還很年輕，正在成長的階段。而且按照學術界的慣例，這項成果最大的功勞要歸於論文的通訊作者，也就是他的導師、麻省理工學院物理系的副教授Pablo Jarillo-Herrero博士，其次才是第一作者曹原，然後還有論文的其他若干位作者。大家不妨仔細看一下這兩篇文章，其他的作者還很多，而且其中也有中國人。

我們要注意，作為學生的成果再多，跟作為負責人的成果還是兩回事。一個人在學術界能夠走多遠，歸根結底是取決於他作為研究負責人的能力。因此，我希望媒體保持專業性，不要只想著炒作自己，而應該多為活生生的人著想，不要過早過多地去打擾曹原同學，讓他保持平常心，在正常的環境里成長。這是一個專業問題，也是一個公德問題。

說得更直白一點，我建議媒體對年輕學子採取一種「保護性低調」的態度。《古惑仔》電影里，洪興的老大蔣天養經常說：「社團的事要低調，賺錢的事要高調。」在這裡，我對媒體的建議是：對科學的宣傳要高調，對個人的宣傳要低調。

諸位也許還希望我談談，如何看待少年大學生和所謂人才外流的問題。關於這些問題，我確實有很多可說的。不過因為可說的太多了，而篇幅有限，所以讓我們以後再詳談。

今天，我希望大家最關心的不是這些俗世的爭吵喧鬧，而是科學獨特的魅力。一個久攻不克的經典難題，通過另一個領域裡看似完全八竿子打不著的研究獲得了新的線索，重新燃起了希望之火，暗示著我們可能面臨一個簡單而出人意料的答案，這不是非常神奇和美妙嗎？

正如李政道經常引用的杜甫的兩句詩：「細推物理須行樂，何用浮名絆此身。」

細推物理須行樂，何用浮名絆此身

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，科技與戰略風雲學會會長，青年科學家社會責任聯盟理事，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 致謝：感謝中國科學技術大學近代物理系副教授劉國柱博士在科學方面的指教。責任編輯：孫遠

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