欢迎大家来到新一期的光华萌说。在“五四青年节”这一天，知名青年学者曹原，继4月份于《Nature》和《Science》接连发表文章的基础上，又在《Nature》子刊——《Nature nanotechnology》上发表了一篇文章。曹原虽然才25岁，但已经开辟了一个全新学术研究领域，并屡有突破。
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这篇论文研究了“魔角石墨烯隧穿器件中所展现的高度可调节性及非局部约瑟夫森效应”，得到了国内外学者的高度认可。曹原和他所发现的“魔角”石墨烯超导性，打开了一扇低维世界调控电子态的新大门，并将在未来给诸多相关的科技领域提供发展应用的无限可能。那么，石墨烯究竟有什么“魔力”呢？让我们来一探究竟吧。
1石墨烯是什么
石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
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2石墨烯在生活中的应用
石墨烯的结构让其在材料制备和器件构造上具备极大的应用优势，被广泛认为是“未来最有可能代替硅”的半导体器件材料之一。此外，石墨烯还拥有良好的热传导与光学性能，可以生成多种相关化合物；也正是因为如此多的潜在可能，让其成为了材料研究和凝聚态物理研究的前沿焦点。
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而另一方面，人们始终致力于研究减少电力传输的能源损耗问题。石墨烯中具有极高迁移率的电子，使其拥有可以像超导体中实现两两配对电子的可能，就让人看到了潜在的实现高温超导、甚至是室温超导的希望。
3曹原引领石墨烯研究新动向
2018年被评为全球十大科学家之一的曹原，年仅25岁，就已经在《Nature》上发文四次。他同时也是《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。如今就读于麻省理工大学的他在石墨烯研究领域已经走在了世界最前列。
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曹原及其实验室同事的这次研究，主要是对隧道器件设计和约瑟夫森效应的一次验证与探索。电流需要电压才能产生，是我们从中学物理学到的欧姆定律相关知识。但在一切皆有可能的“超导领域”里，有一种“约瑟夫森结”的构造可以无视欧姆定律，无需电压便可产生“超电流”。
在研究中，曹原与同组成员们在 MATBG（“魔角扭曲双层石墨烯”，为一种具有高度可操控调节属性的二维材料平台） 中设计了约瑟夫森结和仅由静电门定义的隧道晶体管。其设计的多门控制器件几何结构为弱链、屏障和隧道电极提供了独立控制，所观察到的现象与超薄超导体的 Pearl 理论一致。该研究推动了在单一材料中实现多种功能的探索，其设计的 MATBG 未来可以应用于石墨烯基可调谐超导量子位、片上超导电路和电磁传感等领域。
在魔角扭曲双层石墨烯中构建单电子晶体管
图源：Nature Nanotechnology
中国位列石墨烯研究第一方阵。在理论研究方面，根据石墨烯产业联盟的数据，截止2016年，在全球主要优先权专利申请统计中，我国石墨烯专利占比达58%。到去年底，我国石墨烯产业相关企业近17000家，论文总数占全球三之一，专利数量占全球总数三分之二。我国在石墨烯研究领域取得的的成就，离不开科学家们的付出和坚守，同学们也应当潜心学习，勇攀高峰，为祖国的科技发展添砖加瓦。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00894-4
https://caoyuan.scripts.mit.edu/
http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-1102935.html
文案 | 征鸣
出品 | 光华书院科技创新部
