超導(dǎo)物理的案例
降維超導(dǎo)、堆砌如花
降 維
體系關(guān)聯(lián)本復(fù)繁
降維堆砌夢新顏
從來物理風(fēng)尚領(lǐng)
焉乃化學(xué)今亦歡
1. 引子
超導(dǎo)物理及材料，是量子材料和凝聚態(tài)物理的高地，雖歷經(jīng)近百年卻經(jīng)久不衰。她的內(nèi)在和外貌都很高美，只是看起來有些冷若冰霜、有些陽春白雪而不夠下里巴人。所以，凡夫俗子好像開始感到不那么耐煩，就像耳邊聽到的話重復(fù)太多而起了繭子。關(guān)于超導(dǎo)的故事，我們講得很多了，也講得很好了。盡管如此，請看君了解，超導(dǎo)物理的確是、毫無疑義是多維的、色彩斑斕的。我們的生活、特別是我們的物理生活，如果沒有超導(dǎo)，會變得有些乏味、無聊及至無趣。這樣說，并非要看輕物理學(xué)其他學(xué)科，但超導(dǎo)的確很明月、很故鄉(xiāng)、很天上人間、很前無古后無來。這些絮語的堆砌，好吧，還會繼往開來。
繼往開來的荊棘之路有一條乃二維超導(dǎo)研究。這一領(lǐng)域似乎正方興未艾，此時也是各路大家各顯身手、諸位看官目不暇接的季節(jié)。《超導(dǎo)維度、超越維度》一文以舉重若輕之態(tài)、以春風(fēng)渡越之儀，從歷史到現(xiàn)狀、從材料到物理，對維度這個幽靈如何侵入超導(dǎo)物理進(jìn)行了精彩描繪，在此不再贅述。只有一點，文中提到二維超導(dǎo)體系的各種制備手段時，既介紹了精準(zhǔn)無比、有著原子噴墨打印機(jī)美譽(yù)的分子束外延 (MBE) 薄膜生長技術(shù)，也盛情稱贊了大巧不工、重劍無鋒的膠帶紙手撕單層材料的傳奇。筆者以為，山外有山、技外有技，除此之外還有一些枝葉尚可聞香觀賞，而這恰是本篇故事的起筆之處。
筆者想說的是，二維材料乃至二維超導(dǎo)的風(fēng)月，豈能少了化學(xué)家的筆墨？傳統(tǒng)超導(dǎo)人大多具有物理背景，除了那些高大上的超級技術(shù)之外，他們使用的一般合成材料手段無非是簡單粗暴的三板斧：研磨、壓片加燒結(jié)，不明就里的看官腦補(bǔ)一下太上老君煉制仙丹的場景即可。及至接觸到化學(xué)家的作風(fēng)，乃有嘆為觀止之感：水熱法、微波法、機(jī)械合金化、離子交換法、嵌入反應(yīng)、脫嵌反應(yīng)等。
展開 25歲天才少年！曹原第5篇《Nature》重要發(fā)現(xiàn)：比魔角雙層石墨烯還強(qiáng)！
2010年考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，并入選嚴(yán)濟(jì)慈物理英才班。他在校期間表現(xiàn)優(yōu)異，2014年獲中國科大畢業(yè)生最高榮譽(yù)郭沫若獎學(xué)金，之后赴美國MIT攻讀博士學(xué)位。2018年12月18日，榮登《自然》2018年度影響世界的十大科學(xué)人物榜首。
2018年，曹原以第一作者身份在《Nature》上連發(fā)兩篇文章，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，賦予石墨烯超導(dǎo)能力的“魔角”，從而引發(fā)奇特的超導(dǎo)效應(yīng)，《Nature》連發(fā)兩篇關(guān)于轉(zhuǎn)角石墨烯的重大成果，并配以評述。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界為之震動，開辟了凝聚態(tài)物理的新領(lǐng)域。
當(dāng)無數(shù)的科學(xué)家正在重復(fù)其實驗時，曹原及其合作者于北京時間2020年5月7日在《Nature》再次連發(fā)兩篇關(guān)于魔角石墨烯的最新進(jìn)展。其中一篇曹原是第一作者與通訊作者，另一篇曹原是共同第一作者。
2021年2月1日，來自美國麻省理工學(xué)院的曹原以共同一作和第一通訊的身份在Nature發(fā)表最新成果，在魔角扭曲三層石墨烯發(fā)現(xiàn)了moiré超導(dǎo)體，且該體系在電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能方面的可調(diào)性，優(yōu)于魔角扭曲雙層石墨烯。相關(guān)論文以題為“Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twistedtrilayer graphene”發(fā)表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0
近些年來，Moiré超晶格因其出色的可調(diào)節(jié)性，已經(jīng)成為研究相關(guān)物理和超導(dǎo)性的平臺。盡管在其他幾個moiré體系中，也觀察到了相關(guān)效應(yīng)，但魔術(shù)角扭曲雙層石墨烯，仍然是唯一一種可重復(fù)測量到強(qiáng)超導(dǎo)性的Moiré體系。
展開 流體力學(xué)發(fā)展概況和未來趨勢
作為物理的一部分，流體力學(xué)在很早以前就得到發(fā)展。在19世紀(jì)，流體力學(xué)沿著兩個方面發(fā)展，一方面，將流體視為無粘性的，有一大批有名的力學(xué)數(shù)學(xué)家從事理論研究，對數(shù)學(xué)物理方法和復(fù)變函數(shù)的發(fā)展，起了相當(dāng)重要的作用；另一方面，由于灌溉、給排水、造船，及各種工業(yè)中管道流體輸運(yùn)的需要，使得工程流體力學(xué)，特別是水力學(xué)得到高度發(fā)展。
將二者統(tǒng)一起來的關(guān)鍵是本世紀(jì)初邊界層理論的提出，其中心思想是在大部分區(qū)域，因流體粘性起的作用很小，流體確實可以看成是無粘的。這樣，很多理想流體力學(xué)理論就有了應(yīng)用的地方。但在鄰近物體表面附近的一薄層中，粘性起著重要的作用而不能忽略。邊界層理論則提供了一個將這兩個區(qū)域結(jié)合起來的理論框架。邊界層這樣一個現(xiàn)在看來是顯而易見的現(xiàn)象，是德國的普朗特在水槽中直接觀察到的。這雖也是很多人可以觀察到的，卻未引起重視，普朗特的重大貢獻(xiàn)就在于他提出了處理這種把兩個物理機(jī)制不同的區(qū)域結(jié)合起來的理論方法。這一理論提出后，在經(jīng)過約10年的時間，奠定了近代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。
有意思的是在流體力學(xué)中發(fā)現(xiàn)的這種邊界層現(xiàn)象，很快地在別的科學(xué)領(lǐng)域得到了響應(yīng)，因為這里面包含了更廣泛和深刻的內(nèi)容。由此又大大促進(jìn)了應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展，從而形成了現(xiàn)在在很多科學(xué)中廣泛應(yīng)用的“漸近匹配法”。
在流體力學(xué)中首先發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象及為此提出的理論，在一段時間以后被發(fā)現(xiàn)在其他學(xué)科領(lǐng)域中同樣存在和有用，這樣的例子并不是唯一的一個。例如，100年前在水波中觀察到的孤立波及其理論到本世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)在聲波、光波中同樣存在和有用，從而迅速形成了系統(tǒng)的理論。目前具有重要應(yīng)用前景的光通訊，正是建立在孤立子(孤立波)理論基礎(chǔ)上的。
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