炭和石墨的氧化物(石墨烯超导：22岁中国少年破解百年物理难题，开创物理研究新领域)

超导体也被称为超导材料，它一般是指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10的-25次方Ω，就可以认为电阻为零。超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。

超导体的应用可分为三类：强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用即大电流应用，包括超导发电、输电和储能；弱电应用即电子学应用，包括超导计算机 、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用主要包括磁悬浮列车 和热核聚变反应堆等。

可以说，对超导体的研究在凝聚态物理领域甚至在整个物理学界中，都扮演着不可忽视的重要角色。

而超导体的发现则来源于 1911 年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯的一次意外之举，1908年，得益于低温技术的发展，来自荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的昂内斯教授以极大的精力改善了实验室装备，通过采用压缩氮气节流预冷氢、氢压缩节流预冷氦，最终用压缩节流的方法将氦液化，获得了4.2K的低温。成功将最后一种“永久气体”——氦气液化。

氦气制冷的氢液化系统

永久气体是指临界温度小于-10℃的气体（新标准改为-40℃）。如：空气、氧、氮、氢、甲烷、一氧化碳等气体，氦气是最后一种被液化的永久气体，因为液化氦气需要非常低的温度。（只要低于一定的温度，就可以把气体转化为液体，同理，如果需要把液体转化为气体，就需要达到一定的高温）

低温研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。再接再厉的昂内斯在 1911 年发现，在4.3K低温以下，铂的电阻保持为一常数，而不是通过一极小值后再增大。

因此昂内斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。为了验证这种猜想，昂内斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象。首先，昂内斯将汞冷却到零下40℃，使汞凝固成线状；然后利用液氦将温度降低至4.2K附近，并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时（相当于-269℃时，将开氏温度转变为摄氏度的公式就是开氏温度-273，因为绝对零度是-273度），汞的电阻突然消失，表现出超导状态，后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导效应。

在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”，这也就是我们在一开始说的半导体具有完全抗磁性。

由此，迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。超导已有了一些重要的实际应用，如用于医院里的核磁共振成像、高能加速器、磁约束核聚变装置等，但长期以来，制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈是，最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用（往往冷却至- 250 ℃）。

理论物理学家也在试图解开超导体的奥秘，直到1957年，三位物理学家提出BCS理论， 近自由电子模型为基础，是在电子－声子作用很弱的前提下， 解释常规超导体的超导电性的微观理论，并因此获得1972年诺贝尔物理学奖。

美国物理学家麦克米兰还发现，BCS理论存在一个极限温度大约39K，高于这个温度后的任何物质，都不能形成超导态，这个发现被称为麦克米兰极限，这一极限打击了人们的信心，因为如此低的温度难以用于实际。

因为人类追求的是实现常温超导，这样低的温度实在是难以在现实生活运用，难度太大，投入太高，目前科学家还在对高温超导领域进行探究，高温超导体并不是大多数人认为的几百几千的高温，只是相对原来超导所需的超低温高许多的温度，不过也有零下几百多摄氏度。而在人类所研究的超导中温度算提高非常多，所以称之为高温超导体。

1987年，物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。

朱经武

这是史上第一次超越液态氮沸点“温度壁垒”而将超导温度从30K提升到90K（摄氏零下183度）以上，突破自1911年后七十多年的物理学研究瓶颈，为临界温度高于77K的材料称为高温超导体下了定义，此后，很多科学家开始尝试打破麦克米兰极限，努力寻求“高温超导体”。

另外这项实验采用较为廉价的液氮将极大地降低超导的应用成本，使得超导大规模应用和深入科学研究成为可能。

目前，材料达到超导状态的最高温度约为133K，而这种材料就是铜氧化物，于20世纪80年代被发现。但是，对于氧化物类的高温超导体，由于微观结构非常复杂，结构往往难以调整，很难进行微观尺度的研究，所以难以发现其超导机制；而超高压类的超导体，研究起来更难，也无法实现实际应用。

如果有哪种材料能够在室温下表现出超导电性，就可以为能量传输、医用扫描仪和交通领域带来革命性的改变。

但是科学院一直没有取得突破，直到这位来自中国的 22 岁少年—曹原的出现。曹原出生于1996年，是一位标准的90后，11岁的他曾用短短三年的时间，先后读完小学六年级、初中和高中的课程，并且精通中英日三国语言。在2010年，才14岁的曹原就以669的高考成绩被中科大少年班录取。进入了“严济慈物理英才班”。

曹原自小就特别喜欢捣鼓电子产品，深圳电子数码产品丰富，给予了他广阔的自由发挥的空间，他经常跑去深圳的电子市场，一待就是一整个下午。动手能力超强的他更是自小就喜欢搞实验，曾因硝酸银太贵，买了硝酸偷偷把母亲的银镯子放进去，合成硝酸银。

而中科大毕业之后，18岁的曹原进入了麻省理工攻读博士进行更加深入的学习研究，去向更高的学术殿堂进发，在进入麻省理工之后，曹原一直从事石墨烯的研究。

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一种厚度只有一个碳原子大的二维材料。自石墨烯被发现以来，其诸多优异属性一直令人印象深刻：比如它比铁还要坚固，比铜的导电性还要好等等，还具有透光率、机械强度、稳定性等等性质，在各种不同的领域都发挥着效用，比如移动设备、航空航天、新能源电池领域等。

石墨烯材料结构图

在曹原之前，科学家就已经发现了石墨烯的超导现象，日本东北大学和东京大学的研究人员在2016年得到了一个使他们兴奋的出人意料之外的结果。他们用两片石墨烯构建了一个类似夹心饼干似的结构，在石墨烯片中插入了一些钙原子之后惊奇地发现，这个结构实现了超导性！也就是说，如此构建的材料可以实现电阻为零。

但是曹原的研究最大的意义在于：双层石墨烯仅仅只是做了简单的旋转，就从绝缘体变成了超导体，这样的发现可以说是非常不可思议的。

曹原团队在研究之中发现，堆叠的双层石墨烯中，电学行为对原子排列非常敏感，影响层间电子移动。对于物理学家而言，电学行为通常是由能量主导。而在这项研究中，单层石墨烯内原子间电子移动有关的能量在eV量级，而在层间的电子移动涉及的能量量级最多在几百meV。 要想解开这个谜题，对称性是关键！所以曹原团队尝试将两层石墨烯片叠加起来，两层的晶格取向互相旋转一个角度。

双层石墨烯电性能与相对偏离角关系的实验

当角度刚好是1.1°时。曹原团队惊奇地发现了双层石墨烯一个意想不到的行为：双层石墨烯材料具有了超导特性。

也就是说当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时，只做了简单的角度旋转，就能在零电阻下导电。让双层石墨烯实现从绝缘体到超导体的转变，并且在曹原的实验中，石墨烯的微观结构简单，实验各参数比如磁场、温度、电流、角度等等都是可以精确控制的。

为什么超导发生在1.1°这个神奇的角度？据曹原团队的分析：基于能带结构的紧束缚计算方法，这个神奇的“魔法角”可以根据双层石墨烯能带图相对于角度之变化而计算出来。他们认为，当石墨烯的层与层之间扭转一个角度时，其中的电子轨道将重新杂化而改变杂化能量。杂化能与电子动能互相抗衡和竞争的结果，造就了这个角度的“魔法”现象。也就是说，扭转角θ逐渐增加，杂化能也增加，当费米速度从单层石墨烯中的费米速度₀ = 10⁶m/s降到 = 0时，所对应的那个扭转角θ₀，被称为“魔法角”。这时候正好对应杂化能与电子动能相等，即2 = ℏ₀θ₀，进一步求得魔角θ₀ =√3ℏ₀ = 1.08°，大约是1.1°。在这样的情况下，相应的能带图变成几乎平坦的绝缘体能带图，即产生类似莫特绝缘体的现象，绝缘和超导可互相转换，仅一步之遥。

尽管该系统仍然需要被冷却至1.7K，但由于石墨烯结构简单，制作的器件比铜氧化物更适合研究，如果能在石墨烯这样结构简单的材料中实现高温超导，其应用价值和研究价值都非同一般，而且科学家们认为，与铜氧化物相比，石墨烯更有可能实现常温超导。

可以说曹原团队的这一发现给科学研究带来了新的思路，对于理解高温超导电性具有重要意义，也为高温超导现象提供了研究平台，是近几十年来，超导研究领域最令人兴奋的事。可以说解决了困扰世界物理学家的难题，也给已停滞多年的高温超导研究带来一些新的突破。

为了更好地理解铜氧化物，物理学家已经在黑暗之中已摸索了30年。而最新的发现，或许刚刚为物理学家点亮了一束光。

曹原的研究成果开创了物理学一个全新的研究领域，在凝聚态物理学界，曹原一下声名鹊起。有望最终实现能源利用率与能源运输效率的提高。

MIT 主页近照

这项研究成果的含金量究竟有多高呢？他的两篇关于石墨烯超导的研究论文直接在一天之内以连刊的方式登上了《自然》杂志，当然最重要的是两篇论文的第一作者都是他自己，才年仅22岁。一次性就占据了两个席位，这也是《Nature》创建149年以来达到如此成就的最年轻的科学家。

据说，当编委拿到两篇研究论文时，相关人员等不及排版，先行在其网站上刊出，并配以第三篇文章作为评述。你就可以知道这两篇论文的含金量有多少了。

大家可能不太了解《自然》杂志的权威性，英国《自然》和美国《科学》杂志是目前国际上最具代表性、知名度和权威性的综合学术期刊，能在这两刊发表论文，是全世界大多数科学家梦寐以求的夙愿。

而且英国《自然》周刊发布的2018年度影响世界的十大科学人物，曹原位居榜首。虽然每年《自然》十大人物的封面图片都是一个巨大的数字"10"，但具体样式和底纹都会融入当年的科技热点进行设计。2018 年的封面图片就结合了曹原的研究。

数字"10"中的"0"被处理成一个正六边形，正如构成石墨烯的碳环结构。整个数字"10"由2层蜂窝状的小小正六边形填涂而成，分别为红色和蓝色，两层之间有微小的夹角，恰好点出了赋予石墨烯超导能力的"魔角"。

虽然距离实现常温超导还有很长的一段路要走，但是科学的每一次进步都是由前人一点一滴的积累而来，曹原的这项研究成果，为科学家研究高温超导提供了一个全新的突破口，这就是这项成果的价值所在。

曹原从来不认为自己是天才，“毕竟我也是用四年时间读完大学本科，只是曾经跳过了中学里一些无趣的部分。”。他认为自己在石墨烯上，还有很多的事情要做，也让我们期待他可以做出更多的成就。