在魔法角度下石墨烯超晶格中的半充滿關聯絕緣體行為了解一下 | 科技袁人

來自專欄 風雲之聲

袁老師本期給大家介紹了一個比較冷門的概念，看標題就暈了嗎？那沒事，看內容可能暈得更嚴重……

不過科學的奇妙之處，就在於一旦你對一個問題真正感興趣，尤其是鑽研進去，那麼它的每一次突破和進步，都會使得你收穫巨大的喜悅和鼓舞。袁老師對於曹原這次因為石墨烯論文廣受關注，還是覺得欣慰的，但我們更希望中國人關心的，不是什麼「神操作」震驚體的宣傳，而是對一項可以造福人類的偉大事業有所突破而感到興奮。所以，雖然這一期可能很難懂，但是同學們不妨當做一次嘗試，畢竟科學真正的魅力，就在於他那晦澀艱深的神秘之中。

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秒拍：

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部分評論

伐姬滑稽：

弱小和無知不是生存的障礙,傲慢才是Σ( ￣□￣||)

致敬先輩：

雖然不太懂，還是為我們中國的科學家點個贊！

BisAnubis：

在視頻里袁老師說了幾句媒體過分誇大，就又勾出來幾個假道義聯盟的，什麼叫中國媒體是最沒公德的？你統計過？挨個調查過？全球摸底過？幾個uc能代表全部？你能不過腦子順口說出這種不負責的話就已經代表缺乏家教和素質，根本不懂客觀是什麼，只有你美國爹媒體公德？水平低於正常人腦子容量太小就少說話多看書，少在這動不動就裝智者總結什麼中國外國如何，說小了你這是順嘴胡說，說大了就是煽動謠言破壞社會穩定，uc震驚黨誰搞的？寫那些的不是所謂的老百姓？還是說震驚黨個個都是公職人員？你見過幾個國內正常媒體標題黨了？想賴到中國頭上？標題黨我們獨有？看到這種隨口胡扯的玩意真是噁心。

宄玖：

老師最後說的好好，對科學的宣傳要高調，對個人的宣傳要低調。年輕還有很大的發展空間，期待未來

原文：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

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，人們並沒有製備出石墨烯。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，例如銅和銀，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

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