提起魔角石墨烯，就繞不開中國物理天才曹原，這位年輕學(xué)者因一年內(nèi)手握數(shù)篇頂刊一鳴驚人，而背后為他引路、給予實(shí)驗(yàn)與研究支持的，正是他的導(dǎo)師巴勃羅?賈里洛-埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）。這位西班牙物理學(xué)家深耕二維材料領(lǐng)域，一手開創(chuàng)扭角電子學(xué)新方向，因此成為了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的熱門人選。今天，就讓我們走進(jìn)巴勃羅?賈里洛-埃雷羅，看看這位科研大咖的科研之路。

▲巴勃羅?賈里洛-埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero），西班牙物理學(xué)家。

年少求學(xué)

巴勃羅?賈里洛-埃雷羅出生于西班牙的巴倫西亞，1999年本科畢業(yè)于西班牙巴倫西亞大學(xué)物理專業(yè)，2001年獲得了加州大學(xué)圣地亞哥分校碩士學(xué)位，之后轉(zhuǎn)戰(zhàn)荷蘭于2005年于獲得代爾夫特理工大學(xué)博士學(xué)位，在本校短暫繼續(xù)了一段博后之后，于2006年以Nano Research Initiative Fellow的身份加入當(dāng)時(shí)還在哥倫比亞大學(xué)的超級(jí)大佬金必立（Philip Kim，兩篇石墨烯Nature論文引用超萬次）課題組。2008年1月開始，他加入麻省理工學(xué)院先是擔(dān)任物理學(xué)助理教授，并于2018年成為正教授。

▲Pablo Jarillo-Herrero（青年時(shí)期），圖片來自于網(wǎng)絡(luò)

作為一名教授，巴勃羅不僅是優(yōu)秀的科研工作者，也是一位出色的導(dǎo)師。他從不要求學(xué)生照搬自己的研究思路，反而鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試，哪怕實(shí)驗(yàn)失敗了，他也會(huì)和學(xué)生一起分析原因，從失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。他的實(shí)驗(yàn)室，一直保持著開放、包容的氛圍，不管是資深的研究人員，還是剛?cè)腴T的年輕學(xué)生，都可以自由發(fā)表自己的想法。因此，他研究團(tuán)隊(duì)中不乏眾多懷揣物理夢(mèng)想的年輕人，曹原就是其中之一。

▲曹原（左），巴勃羅?賈里洛-埃雷羅（右），圖片來自于麻省理工學(xué)院官網(wǎng)

素有石墨烯駕馭者之稱的“天才少年”——曹原，18歲從中科大少年班本科畢業(yè)后便前往美國麻省理工學(xué)院讀研究生，進(jìn)入了巴勃羅?賈里洛-埃雷羅課題組。2018年，巴勃羅?賈里洛-埃雷羅團(tuán)隊(duì)震驚全世界的發(fā)現(xiàn)“魔角”的兩篇論文，一作便是曹原，這也使得當(dāng)時(shí)年僅22歲的他成為了《Nature》創(chuàng)刊149年來以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國學(xué)者。

偶遇石墨烯

想要讀懂巴勃羅的研究，首先要弄明白什么是二維材料，而石墨烯作為二維材料中最具代表性的明星，更是他研究的核心載體。在我們的日常生活中，接觸到的都是石頭、金屬、塑料這類三維材料——它們有長、寬、高三個(gè)維度，是實(shí)實(shí)在在的立體物質(zhì)；而二維材料，就是被 “削” 到極致的層狀材料，它的厚度只有一層或幾層原子那么薄，長寬方向可以無限延伸，厚度卻小到以納米計(jì)算（1 納米等于十億分之一米），就像一張沒有厚度的 “原子紙”，漂浮在三維空間中。

▲電子顯微鏡下石墨烯薄片， 圖片來源wikipedia

從科學(xué)定義來說，二維材料是指在一個(gè)維度上的尺寸被嚴(yán)格限制在納米尺度，另外兩個(gè)維度呈宏觀延伸的低維材料，這種特殊的維度限制，讓它的物理特性和三維材料產(chǎn)生了天壤之別。因?yàn)殡娮釉诙S材料中，只能在長寬構(gòu)成的平面上運(yùn)動(dòng)，無法在厚度方向自由穿梭，這種量子限制效應(yīng)讓二維材料展現(xiàn)出三維材料完全沒有的奇妙性質(zhì)，比如超高的導(dǎo)電性、超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、獨(dú)特的光學(xué)特性等。而根據(jù)成分和結(jié)構(gòu)，二維材料也分很多種類：有由單一元素構(gòu)成的單質(zhì)二維材料，比如石墨烯（碳）、硅烯（硅）、磷烯（磷）；也有由兩種及以上元素構(gòu)成的化合物二維材料，比如二硫化鉬、六方氮化硼；還有把不同二維材料疊合在一起的二維異質(zhì)結(jié)，巴勃羅后來研究的扭曲石墨烯，就屬于這類特殊的二維異質(zhì)結(jié)。

而在眾多二維材料中，石墨烯無疑是最知名、研究最深入的那一個(gè)。它是由單層碳原子構(gòu)成的六邊形蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，簡單來說，就是把碳原子像搭積木一樣，一個(gè)個(gè)連起來形成密密麻麻的六邊形網(wǎng)格，就像我們平時(shí)看到的鐵絲網(wǎng)，只是構(gòu)成它的 “鐵絲” 是碳原子，“網(wǎng)格” 的尺寸只有原子級(jí)別。石墨烯的厚度僅有 0.335 納米，把 100 萬層石墨烯疊在一起，才有一根頭發(fā)絲的直徑那么粗，是人類目前發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。

▲石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖， 圖片來源wikipedia

在2004年之前，學(xué)界一直認(rèn)為，單層的二維材料無法在常溫常壓下穩(wěn)定存在，因?yàn)樵訉犹珕伪。苋菀装l(fā)生團(tuán)聚或坍塌，直到英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，用最簡單的 “膠帶剝離法” 打破了這個(gè)認(rèn)知——他們用透明膠帶反復(fù)粘撕石墨片，把層層疊疊的石墨一點(diǎn)點(diǎn)剝薄，最終得到了穩(wěn)定存在的單層石墨烯。這個(gè)看似 “簡單粗暴” 的實(shí)驗(yàn)，讓石墨烯從理論走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)，二人也因此獲得了 2010 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

▲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯?/p>

石墨烯的出現(xiàn)，讓科學(xué)家們看到了二維材料的無限可能，因?yàn)樗砩霞辛颂?“逆天” 的特性：它是已知最堅(jiān)硬的材料，機(jī)械強(qiáng)度比鋼鐵高 200 倍，卻又擁有極好的柔韌性，能像塑料膜一樣隨意彎曲、折疊；它的導(dǎo)電性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料，室溫下電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的 1/300，比硅快上百倍，而且電子在運(yùn)動(dòng)中幾乎不會(huì)遇到阻力，散熱性也極佳，導(dǎo)熱能力比金剛石還要好；它還具有超高的透光性，透光率達(dá)到 97.7%，幾乎完全透明，同時(shí)又能阻隔氣體分子，連最小的氫氣分子都無法穿過。

也正因如此，石墨烯一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就成為了材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)，科學(xué)家們最初的研究，大多集中在單層石墨烯的本征特性上，探索它在柔性電子屏、新能源電池、超導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。但巴勃羅卻注意到了一個(gè)被忽略的方向：如果把兩層石墨烯疊在一起，再輕輕扭一扭，讓它們的蜂窩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小的角度偏差，會(huì)發(fā)生什么？這個(gè)看似簡單的想法，最終讓他解鎖了石墨烯的全新奧秘。

2011 年，艾倫?H?麥克唐納（Allan H. MacDonald） 與拉菲?比斯翠策（Rafi Bistritzer），他們?cè)凇睹绹鴩铱茖W(xué)院院刊（PNAS）》發(fā)表了題為Moiré bands in twisted double-layer graphene的經(jīng)典論文（艾倫?H?麥克唐納任職于美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，二人是同校的理論物理研究合作者），首次通過理論模型系統(tǒng)論證了雙層石墨烯在小角度扭轉(zhuǎn)下的電子結(jié)構(gòu)變化：當(dāng)兩層石墨烯扭轉(zhuǎn)至1.1° 左右的特定角度時(shí)，會(huì)形成摩爾超晶格結(jié)構(gòu)，石墨烯中的電子狄拉克速度趨于零，進(jìn)而形成平坦的電子能帶—— 這一狀態(tài)下電子的動(dòng)能大幅降低，運(yùn)動(dòng)變得 “慢吞吞”，電子間的庫倫相互作用成為主導(dǎo)，為強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子現(xiàn)象（如超導(dǎo)、莫特絕緣態(tài)）的出現(xiàn)創(chuàng)造了理想條件。這個(gè)猜想就像一顆投入湖面的石子，在巴勃羅的心里激起了漣漪，他立刻決定，用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證這個(gè)有趣的猜想。

發(fā)現(xiàn)神奇魔角

而要驗(yàn)證這個(gè)猜想，首先要直面的就是超導(dǎo)研究的行業(yè)難題——在此之前，人類發(fā)現(xiàn)的所有超導(dǎo)現(xiàn)象，都離不開極端條件的支撐，這也是超導(dǎo)研究多年來難以走向?qū)嵱没暮诵脑?。?2018 年巴勃羅團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象前，常規(guī)的超導(dǎo)現(xiàn)象想要實(shí)現(xiàn)，必須滿足嚴(yán)苛的環(huán)境條件，且超導(dǎo)機(jī)制的研究也受限于復(fù)雜的材料體系，具體條件可分為兩類：一是極低溫是超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的核心前提；二是部分超導(dǎo)體還需超高壓力輔助。

要完成魔角石墨烯的超導(dǎo)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，可不是一件容易的事。兩層石墨烯的厚度加起來還不到 1 納米，想要把它們精準(zhǔn)扭轉(zhuǎn)到 1.1° 的魔角，難度堪比“用鑷子夾著頭發(fā)絲穿針”。巴勃羅和他的團(tuán)隊(duì)反復(fù)嘗試，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，摸索操作技巧，終于掌握了高精度的二維材料剝離、疊合和扭轉(zhuǎn)技術(shù) ——他們先把石墨烯和絕緣的六方氮化硼薄片精準(zhǔn)剝離，再將兩層石墨烯小心翼翼地疊合，通過微納加工技術(shù)控制扭轉(zhuǎn)角度，最后封裝成穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)樣品，為后續(xù)的測(cè)試做好了準(zhǔn)備。而曹原的加入，也為這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)注入了新的活力，師徒二人攜手，朝著這個(gè)未知的科學(xué)領(lǐng)域發(fā)起了挑戰(zhàn)。

2018年，是巴勃羅團(tuán)隊(duì)研究生涯中濃墨重彩的一年，他們終于完成了那個(gè)看似不可能的實(shí)驗(yàn)，找到了那個(gè)神奇的“魔角”——1.1度，也首次在魔角扭曲雙層石墨烯中，觀測(cè)到了超導(dǎo)現(xiàn)象。

▲雙層石墨烯超導(dǎo)體中的電子對(duì)示意圖，圖片來自普林斯頓大學(xué)

巴勃羅的團(tuán)隊(duì)把兩層石墨烯精準(zhǔn)扭轉(zhuǎn)到1.1度，再把它們放到極低溫的環(huán)境中測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給石墨烯加上一定的電壓時(shí)，它的電阻突然消失了，電子毫無阻礙地在里面流動(dòng)——超導(dǎo)現(xiàn)象真的出現(xiàn)了！這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表后，立刻轟動(dòng)了全球物理學(xué)界，大家沒想到，僅僅是把石墨烯扭一扭，就能觸發(fā)如此奇妙的物理現(xiàn)象。而當(dāng)時(shí)還在巴勃羅實(shí)驗(yàn)室做研究的曹原，也因在這項(xiàng)研究中的重要貢獻(xiàn)，成為了物理界備受關(guān)注的年輕學(xué)者。

這一發(fā)現(xiàn)的背后，是具有里程碑意義的科研突破，其重大價(jià)值遠(yuǎn)超 “發(fā)現(xiàn)一種新超導(dǎo)體” 本身，為超導(dǎo)研究和二維材料研究都打開了全新的局面。

雖然魔角石墨烯的超導(dǎo)仍需要極低溫，但它的發(fā)現(xiàn)證明，通過結(jié)構(gòu)調(diào)控激活的超導(dǎo)特性，其機(jī)制與傳統(tǒng)超導(dǎo)體完全不同，科學(xué)家可以沿著這一思路，探索不同二維材料組合、不同扭轉(zhuǎn)角度的超導(dǎo)特性，嘗試在更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。如今全球眾多科研團(tuán)隊(duì)基于這一思路，已在多種扭轉(zhuǎn)二維材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，不斷提升超導(dǎo)臨界溫度，讓人類離 “室溫超導(dǎo)” 的終極目標(biāo)越來越近。

開創(chuàng)扭角電子學(xué)新領(lǐng)域

在發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯的超導(dǎo)現(xiàn)象后，巴勃羅和他的團(tuán)隊(duì)沒有停下探索的腳步，而是順著這條線索，繼續(xù)深挖魔角石墨烯的各種特性，也讓一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——扭角電子學(xué)，逐漸成型。

扭角電子學(xué)，說起來也不復(fù)雜，核心就是通過精準(zhǔn)調(diào)控二維材料的層間扭轉(zhuǎn)角度，來改變材料的電子特性，就像我們擰收音機(jī)的旋鈕調(diào)頻道一樣，科學(xué)家們通過“扭轉(zhuǎn)”二維材料，調(diào)出自己想要的材料特性。

巴勃羅的團(tuán)隊(duì)在后續(xù)的研究中，不斷解鎖魔角石墨烯的新“技能”：2025年2月，他們首次測(cè)出了魔角扭曲雙層石墨烯的超流剛度——這個(gè)指標(biāo)能反映超導(dǎo)體的“超導(dǎo)能力”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它的數(shù)值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)理論的預(yù)測(cè)，證明這種石墨烯的超導(dǎo)特性，是由一種全新的量子效應(yīng)調(diào)控的。

▲兩片石墨烯以略微偏移的“魔角”堆疊在一起，既可以成為絕緣體，也可以成為超導(dǎo)體。

圖片來源：麻省理工學(xué)院

同年7月，他們又發(fā)現(xiàn)，三層石墨烯扭到特定角度后，在強(qiáng)磁場(chǎng)下依然能保持超導(dǎo)，這種特性在現(xiàn)有超導(dǎo)體中十分罕見，為研發(fā)抗磁場(chǎng)的超導(dǎo)體提供了新方向；12月，他們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)，這種三層魔角石墨烯的超導(dǎo)機(jī)制和傳統(tǒng)超導(dǎo)體完全不同，為設(shè)計(jì)室溫超導(dǎo)體提供了關(guān)鍵線索。

這些研究成果，一篇篇發(fā)表在《自然》《科學(xué)》等國際頂級(jí)期刊上，也讓扭角電子學(xué)成為了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如今，全球各地的科學(xué)家都加入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中，探索不同二維材料、不同扭轉(zhuǎn)角度下的奇妙現(xiàn)象，而巴勃羅，無疑是這個(gè)領(lǐng)域的“領(lǐng)路人”。

生活與愛，科研之外

憑借在二維材料和扭角電子學(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，巴勃羅獲得了國際物理學(xué)界的廣泛認(rèn)可，人生一路“開掛”，斬獲了多項(xiàng)重量級(jí)大獎(jiǎng)。

截至目前，他獲得了包括2006年的西班牙皇家學(xué)會(huì)青年研究員獎(jiǎng)，2008年的NSF職業(yè)獎(jiǎng)，2009年的Alfred P. Sloan獎(jiǎng)，2009年的David和Lucile Packard獎(jiǎng)，2010年的IUPAP青年科學(xué)家半導(dǎo)體物理學(xué)獎(jiǎng) ，2011年的美國能源部早期職業(yè)獎(jiǎng)，以及2020年凝聚態(tài)物理最高榮譽(yù)Buckley獎(jiǎng)和2020年沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)等眾多獎(jiǎng)項(xiàng)。近期，逐漸成為“諾貝爾獎(jiǎng)”風(fēng)向標(biāo)大獎(jiǎng)的BBVA基金會(huì)的知識(shí)前沿獎(jiǎng)揭曉了其2026年基礎(chǔ)科學(xué)（Basic Sciences）領(lǐng)域的獲獎(jiǎng)人，巴勃羅是第十八屆BBVA基金會(huì)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)前沿獎(jiǎng)兩位獲獎(jiǎng)?wù)咧弧?/strong>

在實(shí)驗(yàn)室里，巴勃羅是嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研大咖，而走出實(shí)驗(yàn)室，他就是一個(gè)有著諸多愛好的普通人。

巴勃羅最喜歡的放松方式，就是徒步和登山。一有空閑，他就會(huì)和家人、朋友一起走進(jìn)大自然，沿著山間小路徒步，登上山頂俯瞰遠(yuǎn)方。他期望有一天能夠環(huán)游世界。

他還喜歡閱讀各類領(lǐng)域的書籍。在他看來，不同領(lǐng)域的書籍，能帶來不同的思考方式，歷史書能讓人以史為鑒，文學(xué)書能讓人感受人性的美好，科幻小說則能激發(fā)想象力——而想象力，是科研創(chuàng)新的重要源泉。有時(shí)候，在閱讀中看到的一個(gè)想法，可能就會(huì)為他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來新的靈感。

除此之外，巴勃羅還喜歡和家人一起烹飪。他是西班牙人，對(duì)美食有著天然的熱愛，閑暇時(shí)會(huì)和家人一起研究菜譜，做一頓地道的西班牙美食，和家人朋友圍坐在一起分享，享受溫馨的家庭時(shí)光。

參考資料：

來源：墨子沙龍

編輯：子木

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原公眾號(hào)