從超導到石墨烯曹原有何貢獻？他能獲得諾獎嗎？來西瓜視頻了解吧

2018年3月5日，曹原以第一作者的身份在世界頂級學術期刊《自然》雜誌上發表了兩篇關於石墨烯的重磅論文，而他也成為以第一作者在《自然》雜誌上發表論文的最年輕的中國學者。2018年12月18日，《自然》雜誌發布2018年度科學人物，95後中國學生曹原位居榜首。曹原發現了讓石墨烯實現超導的方法，這開創了物理學一個全新的研究領域，有望大大提高能源利用效率與傳輸效率，《自然》將曹原稱作為「石墨烯駕馭著」。每年《自然》十大人物的封面圖片都是一個巨大的數字「10」，具體樣式和底紋都會融入當年的科技熱點進行射擊，18的封面圖片明顯指向曹原的成果。

本期西瓜視頻創作人「」，和大家聊聊曹原研究的石墨烯到底是咋回事呢？那為了能夠讓大家更清晰，咱們先簡要的介紹一下超導的發展史。超導的發現者是荷蘭物理學家昂內斯，他呢出生在1853年，1882年成為萊頓大學的物理系教授，以及實驗室負責人。他主要研究啥呢？研究的是低溫物理學，這在當時很流行，就是製造低溫環境，然後凍點東西，看看能有啥現象，那怎麼製造呢？通常採用的方法就是液化氣體，就是氣體液化。他會釋放出大量的熱。所以液態的氣體一般他都會具有比較低的溫度，昂內斯就是幹這個事兒。

有一些氣體好液化，比如說二氧化碳呢，還有氨氣，就這兩種氣體在常溫下通過加壓就可以把它變成液體了。就是他們的臨界點都比較高，但是有一些氣體就不行。在昂內斯時期，有兩種氣體，人們不能把它們液化，就是氫氣和氦氣。到了1898年，有一個蘇格蘭的物理學家叫做杜瓦。杜瓦罐聽過吧？就是裝液態氣體的真空罐兒，廣義上就真空保溫杯也是杜瓦罐，就是杜瓦發明的。他在1898年把氫氣給液化了，首次是達到了零下二百六十攝氏度的低溫，那就只剩下氦氣了。

1908年7月10號，昂內斯成功的把氦氣也給液化了。打破了杜瓦的記錄達到了零下二百六十九攝氏度的人造低溫，就是4.15K，K就是開氏溫標，零開就是絕對零度零下273.15度。你看已經很接近了。後來呢，昂內斯又刷新了自己的記錄，製造了1.5K的溫度等等。所以昂內斯也被人們稱作「絕對零度先生」，那這件事和超導有什麼關係呢？有，剛才咱們說了，說為啥要知道低溫環境，為了凍點啥東西看看情況。所以呢在1911年，昂內斯就突發奇想，他把金屬往液氦裡邊兒扔，然後呢去分析金屬的導電性質，就看看有沒有什麼變化。結果。他驚奇的發現，汞就水銀在低於4.2K的溫度之下，電阻不見了。這件事在當時可是把所有人都嚇了一跳。你正常來說，一個導體肯定會存在電阻。你比如說在家裡吃個火鍋，這插排為什麼會發熱呀？因為存在電阻，電流不能夠百分之百的通過正常導體，肯定會存在損耗。然後這種損耗以熱量的形式散發出去。如果有一個材料。要是沒有電阻，電流可以毫無阻礙的通過，那能源的利用率就將會大大的提升。後來呢，昂內斯又發現說錫、鉛等金屬，同樣在低於某一個特定的溫度的時候，他就會出現電阻為零的現象。注意，這電阻可不是說一點兒一點兒變沒的，而是低於某一個溫度，它突然就沒了。這個現象就被人們稱作是超導現象，這就是超導的來源。那由於液氦的製備以及發現了超導現象，昂內斯在1913年就獲得了諾貝爾物理學獎。

然後到了1933年，德國的物理學家邁斯納，還有奧克森菲爾德，他們又發現了超導體不僅是電阻為零，內部的磁場也為零，就是具有完全抗磁性。也就是所謂的邁斯納效應。就你磁鐵過來吧，我排斥你，所以會有磁懸浮的現象嘛，這就又給超導體添加了一個光環。於是所有人最關心的問題就是超導怎麼用，怎麼普及，你這超導你怎麼放到生活當中來。不可能，我為了一根超導線，然後還得制配一個低溫環境，那就更不划算了。所以物理學家說咱們不能太著急，咱們呢得先從兩個問題入手。第一個問題都有哪些材料他能夠具備超導性質呢？第二個問題，這超導現象他背後的機理到底是什麼？這才是關鍵。那這兩個問題到現在仍然也沒有徹底解決呀。從1911年發現超導現象之後，人們確實是又發現了一些其他的超導材料。他們的共同點都是說在接近絕對零度的時候，突然電阻就沒了。但是對於背後的機理是一直等到了1957年才出現了第一個版本，就是巴丁、庫珀、史蒂夫這三個人提出的超導的BCS理論。他們解釋為什麼會出現超導現象呢？因為在低溫超導體當中，電子它是成對出現的，就是形成了所謂的庫珀對。假如有一個電子正在走著呢，突然前面遇到阻礙了，那和他成對的電子就會立刻推他一把。那就把阻礙給抵消了，推他一把，就是通過交換聲子來實現。所以整體對於庫珀對兒來說，它就可以暢通無阻的通過導體。

那為什麼會形成庫珀對呢？簡單說就是正常電子它的自旋是二分之一，無法形成波色愛因斯坦凝聚，但是你組成了庫珀對之後，電子的自旋就變成零了，就可以形成波色愛因斯坦凝聚。這就是低溫下的一種量子效應。所以根據BCS理論，超導就是一個宏觀量的效應。為此呢，這三位還在1972年獲得了諾貝爾物理學獎。後來有一個美國搞凝聚態的物理學家叫做麥克米蘭。他根據BCS理論，還有當時找到的一些超導體的，他就發表了一個觀點。他說超導的臨界溫度就是某一個材料，低於臨界溫度他就變成超導了。他說臨界溫度應該不會高於40K，就是零下233.15攝氏度，這就是後來人們說的麥克米蘭極限。當時發現了超導材料的臨界溫度，最高的是21K。

那你說21K還有麥克米蘭極限40K，能不能被突破呢？能，是一直到了1986年，德國物理學家貝德諾爾茨，還有瑞士物理學家卡爾·米勒，他倆屬於是另闢蹊徑。就正常人的想法肯定是說我把一個導體加上低溫，然後他能變成超導體，他倆非要試試說陶瓷材料加上低溫才能什麼樣的，陶瓷是絕緣體。結果就是幸福來得太突然，這二位發現了一種新型的化合物，超導定就是銅氧化物。當時使用的是鋇鑭銅氧化系的材料。這種材料的臨界超導溫度是33K，刷新了之前的21K的記錄，距離44K就差那麼一點了。不過重點是這種超導和之前不一樣，之前發現的超導你都可以用BCS理論解釋，銅氧化物超導體就不行。所以從此就算是開啟了第二代潮頭，就是銅基高溫超導體的時代。可能有同學在這兒存在誤區。說高溫超導是不是就是幾百度幾千度下的超導體。不是，是相對較高，那也是零下一兩百度了，現在的終極目標是室溫超導體，就是常溫下就能超導那就完美了。

1986年，貝德諾爾茨和米勒發現了銅氧化物超導體之後，這就是突破性進展。因為這是新材料，所以，諾獎也著急。第二年，就1987年就給他倆發獎了，不過就在1987年，我國物理學家趙忠賢，趙老再次刷新了33K的記錄，他發現釔鋇銅氧系材料的超導臨界溫度高達92.8K。同年獨立獲得相同結果的，還有美籍華裔物理學家朱經武，寶島臺灣的物理學家吳茂昆，為什麼這個記錄值得銘記呢？首先他突破了麥克米蘭極限40K。其次，之前要想做超導實驗，你就得需要液氦。但是空氣當中氦太少了，稀有氣體，所以實驗成本是相當的高。空氣當中什麼含量最高，氮氣百分之七十八，而液氮的沸點呢是77K ，一般值叫做液氮的溫度壁壘。這就意味著如果你有一種超導材料，它的臨界溫度是高於77K的，那直接就用液氮就可以了，不用液氦了。液氮有的是，所以研究銅氧化物的成本就大大的降低了，明白吧，這就是它的意義所在。

果不其然，到了1987年底，把臨界超導溫度的記錄就刷新到了125K，後來又發現了一百六十多開等等。而且就在這段時間內，物理學家其實不僅發現了銅氧化物超導體，還發現了一些氧化物超導體，還有什麼重費米子超導體，還有有機超導體等等.新的超導材料是越來越多，但是他們都不適用於針對第一代超導提出的BCS理論。所以新發現的這些超導材料呢就統稱為非傳統超導體。那之前的那些適用BCS理論呢，就叫做傳統超導體。包括2006年出現的鐵基超導材料。咱們國家實力都很強，現在的鐵基超導材料的臨界溫度，就是2012年，清華大學薛其坤教授保持的。

那現在這所有材料當中達到的最高的臨界溫度是多少呢？是2018年德國化學家米哈伊爾，他們團隊達到的，他們實現了氫化鑭在259K溫度之下的超導性。250K就是零下23.15攝氏度，這還沒有東北的冬天冷的。這就是目前最接近室溫的結果。不過他需要一個極其高的高壓環境。170GPa大概是一百六十多萬個大氣壓，就將近地心壓力的一半了。上一個記錄是在2015年也是把硫化氫放到150GPa的高壓當中，他的臨界超過溫度大概是零下七十度左右。

好了，超導材料介紹差不多了。但是呢，大家發現問題了沒有，從1911年之後的一百多年裡，物理學家在發現新的超導材料上確實是有所突破，而且是很大的突破。不過對於所有的非傳統超導體，我們還差一套完整的理論。而且你還發現大部分的非傳統超導體都是由絕緣體製成的，或者說它的母體是絕緣體，其實有一個學名叫做莫特絕緣體。就是理論上我能帶結構上看，他是可以導電的，但是他就是絕緣體。然後呢你通過一些手段，比如說加點氧，然後再放到低溫環境下，他又變成超導體了。事兒背後的機理人們也不知道。其實你說物理學家研究這麼多超導材料是為了啥呀，還不是為了這套理論嘛，哪個材料簡單好入手，那就研究他。

那妥了。那現在咱們可以聊下一個話題了，石墨烯。這本身這東西和超導沒啥關係，這就是一種材料。只不過呢，材料他有點特殊，他有很多優點。先來說什麼是石墨烯，石墨知道吧，就是碳，鉛筆芯的主要成分，純的石墨就是一坨黑炭，那你說鑽石碳，為什麼他倆長得不一樣兒呢？因為原子的排列也不同，所以他組成的物質呢，性質他就不同。鑽石是三維結構的，每一個碳原子都和其他的四個碳原子組成共價鍵，他們構成了一個正四面體。而石墨呢，他的原子結構是分層的，每一層都是正六邊形網格，像蜂窩。然後呢，層與層之間靠範德華力相連，這就是為什麼鑽石硬，石墨軟的原因。那現在問大家一個問題，說假如給你一塊石墨，這最薄你能切多薄呢？理論上你可以切除就只有一層碳原子的石墨片，就是一張二維的由碳原子組成的正六邊形網格。那我來告訴大家，東西就叫做石墨烯，就是石墨的一層碳原子，但是石墨烯的發現也是充滿戲劇性。因為很早的時候物理學家猜測說就只有一個原子厚度的二維材料，他是不會存在的。理由就是根據熱力學漲落這種材料不會穩定。說白了，就是在微觀尺度下，原子會亂動，上下左右的動。所以不可能你讓所有的原子他都保持在一個平面上，然後還老老實實的呆著，就必將會重新打亂，然後形成一種三維結構。

後來呢，到了2004年，有兩個物理學家他就不信邪。這兩位呢是英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆，還有莫沃肖洛夫，他倆時候說那就試試吧，用刀其也肯定是切不出那麼薄了，那怎麼辦呢？你們猜一下是什麼辦法用膠布，透明膠帶粘一下石墨。然後呢，你再把膠帶對摺再粘。有新的地方粘，就越粘越薄。最後往電子顯微鏡上一放，單層，石墨烯就這麼出現。然後在2010年，這二位還因為發現了石墨烯獲得了諾貝爾物理學獎，當然肯定沒有咱們說的這麼輕鬆，而且現在也有很多別的辦法去製作石墨烯了。

那接著就研究石墨烯的性質，被人們發現，石墨烯是目前世界上最薄也是最堅硬的納米材料。當然堅硬可能不是你理解的那個硬，薄薄的一張膜佔上一頭大象，絕對沒有問題。但是現在還沒有那麼大的膜呢，而且他幾乎透明。除此之外呢電阻率極低，除了超導石墨烯的電阻率最小，導熱係數還超級高。總之他有很多優點。所以石墨烯在現在的材料研究當中，也是大熱門之一了。但是什麼時候能普及，這就不好說了，重點這這不是咱們關心的。咱們關心的是這東西結構簡單吶，二維結構。那如果要是石墨烯也具有超導性質，你說。對於研究超導的機制會不會有幫助呢？那超導說到底他就是電子間的相互作用唄，這叫強關聯，但是你為什麼相互作用，他怎麼相互作用的。這是人們不明白的。那石墨烯至少在結構上，他就比別的材料簡單多了呀，就一層碳，一共就那麼幾個電子。

所以曹原和他的導師Pablo Jarillo-Herrero幹的就是事兒。他們發現石墨烯本身是導電的，但是呢,你把兩層石墨烯材料給它疊在一起，這還不行，你還要旋轉一個特定的角度。1.1度這被稱作「魔角」，就是這兩層石墨烯相差的角度是1.1度。原來單層的石墨烯，它的晶格是正六邊形。現在兩層加上一個角度，這晶格他就變大了。然後把結構給它放到1K的溫度環境下，就是幾乎是絕對零度了。神奇的事情出現了，這個結構變成絕緣體了。本來石墨烯電阻率最小的，兩層放在一起，再加個1.1在低溫的環境下，他就變成絕緣體了。這還不夠神奇，你再給絕緣體裡邊放幾個電子。然後呢，再施加的電壓逐漸的提高，當達到一個閾值的時候，突然電流通了。而且電阻是從無窮大變到零了，變成超導體了。

這就像是你們看沒看到過一種杯子，往杯裡邊倒水。然後不漏，當水達到一定高度的時候，就全漏出去了，就是這個角度只要不是1.1度，哪怕差那麼零點幾度，他就既不是絕緣體，也不是超導體了，就變成正常導體，神奇吧。這種現象又是因為啥呢？那他和他超導形成的機理有沒有啥關係呢？這個問題我就沒有辦法給大家解答了。這也正是現在研究的方向。

有的媒體報導說曹原發現了常溫超導體了。聽到這兒的同學肯定就知道他在瞎說了，顯然不是，人家臨界溫度，是1K就接近絕對零度嘛。而且重點不是說發現什麼新超導體了，再說關於石墨烯的超導性，其實很早就有人研究過。物理學家發現說把石墨烯和某一些特定的金屬，通過接觸他就可以變成超導體，就沒啥稀奇的。新發現的超導材料有的是重點是曹原他們發現了這種結構類似於莫特絕緣體。他可以在絕緣體和超導體之間相互轉換，而且材料結構很簡單，有助於研究背後的機理，這是重點。還有好多同學問曹原會不會得諾獎了，不好說。如果曹緣和他的導師Pablo能夠通過現象形成一套理論，解決了自非傳統超導體出現以來，困擾了人們三十多年的背後機理問題，那絕對是諾獎，沒跑。但是單純的就目前的進展來看，還差那麼一丟丟。你看從1911年到今天，關於超導的諾獎大概頒發了八塊左右了吧。通過發現新超導體什麼新現象得到諾獎已經發的差不多了，現在人們就是急需要一個理論。如果一個理論能夠很快的達成物理學界的普遍共識，那絕對轉年就是諾獎。曹原還是很有希望的。而且我們距離真相也越來越近了，那咱們一起拭目以待吧。

最後

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