在魔法角度下石墨烯超晶格中的半充满关联绝缘体行为了解一下 | 科技袁人

袁老师本期给大家介绍了一个比较冷门的概念，看标题就晕了吗？那没事，看内容可能晕得更严重……

不过科学的奇妙之处，就在于一旦你对一个问题真正感兴趣，尤其是钻研进去，那么它的每一次突破和进步，都会使得你收获巨大的喜悦和鼓舞。袁老师对于曹原这次因为石墨烯论文广受关注，还是觉得欣慰的，但我们更希望中国人关心的，不是什么“神操作”震惊体的宣传，而是对一项可以造福人类的伟大事业有所突破而感到兴奋。所以，虽然这一期可能很难懂，但是同学们不妨当做一次尝试，毕竟科学真正的魅力，就在于他那晦涩艰深的神秘之中。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=e0628w2vakj&width=500&height=375&auto=0

视频链接

哔哩哔哩：https://www.bilibili.com/video/av21999856

腾讯视频：https://v.qq.com/x/page/e0628w2vakj.html

今日头条：http://www.365yg.com/item/6543548263734182414/

秒拍：

https://gslb.miaopai.com/stream/vvZwG~M1U7puOThhpsl5MUQ1n1cAw5j4B4n1hQ__.mp4

部分评论

伐姬滑稽：

弱小和无知不是生存的障碍,傲慢才是Σ( ￣□￣||)

致敬先辈：

虽然不太懂，还是为我们中国的科学家点个赞！

BisAnubis：

在视频里袁老师说了几句媒体过分夸大，就又勾出来几个假道义联盟的，什么叫中国媒体是最没公德的？你统计过？挨个调查过？全球摸底过？几个uc能代表全部？你能不过脑子顺口说出这种不负责的话就已经代表缺乏家教和素质，根本不懂客观是什么，只有你美国爹媒体公德？水平低于正常人脑子容量太小就少说话多看书，少在这动不动就装智者总结什么中国外国如何，说小了你这是顺嘴胡说，说大了就是煽动谣言破坏社会稳定，uc震惊党谁搞的？写那些的不是所谓的老百姓？还是说震惊党个个都是公职人员？你见过几个国内正常媒体标题党了？想赖到中国头上？标题党我们独有？看到这种随口胡扯的玩意真是恶心。

宄玖：

老师最后说的好好，对科学的宣传要高调，对个人的宣传要低调。年轻还有很大的发展空间，期待未来

原文：石墨烯超导和21岁博士生：对科学的宣传要高调，对个人的宣传要低调 | 袁岚峰

最近，我的科大师弟曹原火了。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？！》

许多人来问我这究竟是怎么回事，其中包括我非常尊敬的前辈朋友、中国科学院院士、著名的地质学家李曙光教授。刚好，曹原师弟的这个研究跟我的专业比较接近，我大致可以向公众解释一下，解答李曙光老师和诸位朋友们的疑问。

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”（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满关联绝缘体行为》。第二篇的标题是“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！

（此处应有哄笑）

姚明发来贺电

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。

一个有趣的事实是，人们还无法预测哪些物质会超导。实际上，许多导电性很好的物质是不会变成超导体的，例如铜和银，在室温下电阻就很低，但你无论把它的温度降到多低，也从来没有看到它的电阻变成零。反而是一些在室温下导电性不太好的物质，例如水银，也就是汞，在低温下可以变成超导体。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。

这里有一个小小的知识点，对我们下面的叙述很有用。比起摄氏温标来，科学界更喜欢用绝对温标，或者叫做热力学温标。它的定义是，把零下273.15摄氏度定义为绝对零度，在此之上每一度的间隔都跟摄氏度相同。绝对温标的单位叫做开尔文（Kelvin），简写为K，所以零下135摄氏度就约等于138 K。为什么绝对温标比摄氏温标好用呢？因为大自然不会出现绝对零度以下的温度。

我们再次强调一下，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。

魔幻现实主义的名著《百年孤独》

名称是小问题，无论你怎么称呼，都不会改变现实世界的运行规律。真正令人头疼的是，铜氧化物的超导原理，到现在还是如坠云雾之中。

传统上，人们对于一些简单物质例如水银的超导，已经提出了一种成功的解释，叫做BCS理论。BCS这个名字是它的三位提出者John Bardeen、Leon N Cooper和John Robert Schrieffer的姓氏首字母缩写，他们三人因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。但是，在BCS理论的框架内，超导转变温度很难超过40 K。

巴丁（John Bardeen）

库珀（Leon N Cooper）

施里弗（John RobertSchrieffer）

1986年，两位科学家Johannes Georg Bednorz和Karl Alexander Müller发现了一类新的超导体系，就是铜氧化物。由于具备高温超导特性，这个领域迅速成为最火热的物理学研究热点，他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

贝德纳兹（Johannes GeorgBednorz）

穆勒（Karl Alexander Müller）

全世界的实验物理学家们，开始以疯狂的热情，夜以继日地尝试铜氧化物的各种元素组成和比例，就像做排列组合似的，这种做法也常被比喻为炒菜。经过这种地毯式的搜索，果然找到了一些超导转变温度很高的体系，典型的例子如钇钡铜氧（Y-Ba-Cu-O）和铋锶钙铜氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）。在这个过程中，中国厨师，哦，科学家们，也做出了很大贡献，例如朱经武、赵忠贤等人，这是值得我们喝彩的。

炒菜（动图）

但是在理论方面呢，铜氧化物超导的机理却完全搞不清楚。唯一可以肯定的是，不是BCS理论。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。

什么叫做莫特绝缘体？莫特（Nevill Francis Mott）是1977年的诺贝尔物理学奖获得者，而莫特绝缘体指的是这样一种体系：根据最基础的导电性理论，它应该是导体，但由于某种超越基础理论的高级因素，它实际上却是绝缘体。这种超越基础理论的高级因素，就叫做“关联”（correlation），指的是电子之间的瞬间相互作用。

莫特（Nevill Francis Mott）

更具体地说，在莫特绝缘体中，平均每个原子有一个价电子。但这些电子之间的排斥作用很强，如果让两个电子同时出现在一个原子上，就会付出很大的代价。结果是电子们只好“一个萝卜一个坑”地待在相应的原子上，谁也不能动，卡位卡得很成功，所以整个体系成了绝缘体。

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。

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”（https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w），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。

拉夫林（Robert BettsLaughlin）

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。

我的一些理论物理学家朋友指出，高温超导之所以难以理解，核心问题之一就是，物理学的绝大部分计算都是基于微扰展开的方法。只要展开参数足够小，就可以只取微扰展开的最前面几项，使问题得到极大的简化。但是对于铜氧化物高温超导，微扰展开已经被证明是条死路。真的要理解铜氧化物，就必须发展非微扰的计算方法，这是一个巨大的挑战。从这个角度来看，即使双层石墨烯跟铜氧化物很相似，也不见得能立刻带来多大的帮助。如果基础理论没有突破，有一个体系我理解不了，你再给我三个五个类似的体系，我不还是理解不了嘛。——你是不是想起了《三体》里的“智子封锁”？

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。

· 对科学的宣传要高调，对个人的宣传要低调

我们再来谈谈，如何看待曹原同学。曹原是科大2010级少年班的师弟，跟我一样都是14岁上的科大。他的学习和科研成绩都是非常出色的，我在这里衷心地祝贺和祝福他，也非常高兴他为我国以至于全世界的学子，做出了一个很好的榜样。

不过，他毕竟还很年轻，正在成长的阶段。而且按照学术界的惯例，这项成果最大的功劳要归于论文的通讯作者，也就是他的导师、麻省理工学院物理系的副教授Pablo Jarillo-Herrero博士，其次才是第一作者曹原，然后还有论文的其他若干位作者。大家不妨仔细看一下这两篇文章，其他的作者还很多，而且其中也有中国人。

我们要注意，作为学生的成果再多，跟作为负责人的成果还是两回事。一个人在学术界能够走多远，归根结底是取决于他作为研究负责人的能力。因此，我希望媒体保持专业性，不要只想着炒作自己，而应该多为活生生的人着想，不要过早过多地去打扰曹原同学，让他保持平常心，在正常的环境里成长。这是一个专业问题，也是一个公德问题。

说得更直白一点，我建议媒体对年轻学子采取一种“保护性低调”的态度。《古惑仔》电影里，洪兴的老大蒋天养经常说：“社团的事要低调，赚钱的事要高调。”在这里，我对媒体的建议是：对科学的宣传要高调，对个人的宣传要低调。

诸位也许还希望我谈谈，如何看待少年大学生和所谓人才外流的问题。关于这些问题，我确实有很多可说的。不过因为可说的太多了，而篇幅有限，所以让我们以后再详谈。

今天，我希望大家最关心的不是这些俗世的争吵喧闹，而是科学独特的魅力。一个久攻不克的经典难题，通过另一个领域里看似完全八竿子打不着的研究获得了新的线索，重新燃起了希望之火，暗示着我们可能面临一个简单而出人意料的答案，这不是非常神奇和美妙吗？

正如李政道经常引用的杜甫的两句诗：“细推物理须行乐，何用浮名绊此身。”

细推物理须行乐，何用浮名绊此身

科技袁人系列

---

欢迎关注风云之声

知乎专栏：

http://zhuanlan.zhihu.com/fengyun

一点资讯：

http://www.yidianzixun.com/home?page=channel&id=m107089

今日头条：

http://toutiao.com/m6256575842