“天才少年”曹原背后的男人：扭角電子學領路人巴勃羅?賈里洛-埃雷羅

提起魔角石墨烯，就繞不開中國物理天才曹原，這位年輕學者因一年內手握數篇頂刊一鳴驚人，而背后為他引路、給予實驗與研究支持的，正是他的導師巴勃羅?賈里洛-埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）。這位西班牙物理學家深耕二維材料領域，一手開創扭角電子學新方向，因此成為了諾貝爾物理學獎的熱門人選。今天，就讓我們走進巴勃羅?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），西班牙物理學家。

年少求學

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

▲Pablo Jarillo-Herrero（青年時期），圖片來自于網絡

作為一名教授，巴勃羅不僅是優秀的科研工作者，也是一位出色的導師。他從不要求學生照搬自己的研究思路，反而鼓勵學生大膽嘗試，哪怕實驗失敗了，他也會和學生一起分析原因，從失敗中總結經驗。他的實驗室，一直保持著開放、包容的氛圍，不管是資深的研究人員，還是剛入門的年輕學生，都可以自由發表自己的想法。因此，他研究團隊中不乏眾多懷揣物理夢想的年輕人，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院官網

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后便前往美國麻省理工學院讀研究生，進入了巴勃羅?賈里洛-埃雷羅課題組。2018年，巴勃羅?賈里洛-埃雷羅團隊震驚全世界的發現“魔角”的兩篇論文，一作便是曹原，這也使得當時年僅22歲的他成為了《Nature》創刊149年來以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者。

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、高三個維度，是實實在在的立體物質；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

從科學定義來說，二維材料是指在一個維度上的尺寸被嚴格限制在納米尺度，另外兩個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生了天壤之別。因為電子在二維材料中，只能在長寬構成的平面上運動，無法在厚度方向自由穿梭，這種量子限制效應讓二維材料展現出三維材料完全沒有的奇妙性質，比如超高的導電性、超強的機械強度、獨特的光學特性等。而根據成分和結構，二維材料也分很多種類：有由單一元素構成的單質二維材料，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結，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結。

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。它是由單層碳原子構成的六邊形蜂窩狀晶體結構，簡單來說，就是把碳原子像搭積木一樣，一個個連起來形成密密麻麻的六邊形網格，就像我們平時看到的鐵絲網，只是構成它的 “鐵絲” 是碳原子，“網格” 的尺寸只有原子級別。石墨烯的厚度僅有 0.335 納米，把 100 萬層石墨烯疊在一起，才有一根頭發絲的直徑那么粗，是人類目前發現的最薄的材料。

▲石墨烯結構示意圖， 圖片來源wikipedia

在2004年之前，學界一直認為，單層的二維材料無法在常溫常壓下穩定存在，因為原子層太單薄，很容易發生團聚或坍塌，直到英國曼徹斯特大學的安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，用最簡單的 “膠帶剝離法” 打破了這個認知——他們用透明膠帶反復粘撕石墨片，把層層疊疊的石墨一點點剝薄，最終得到了穩定存在的單層石墨烯。這個看似 “簡單粗暴” 的實驗，讓石墨烯從理論走進了現實，二人也因此獲得了 2010 年的諾貝爾物理學獎。

▲2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究

石墨烯的出現，讓科學家們看到了二維材料的無限可能，因為它身上集中了太多 “逆天” 的特性：它是已知最堅硬的材料，機械強度比鋼鐵高 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；它的導電性遠超傳統材料，室溫下電子在石墨烯中的運動速度達到了光速的 1/300，比硅快上百倍，而且電子在運動中幾乎不會遇到阻力，散熱性也極佳，導熱能力比金剛石還要好；它還具有超高的透光性，透光率達到 97.7%，幾乎完全透明，同時又能阻隔氣體分子，連最小的氫氣分子都無法穿過。

也正因如此，石墨烯一經發現就成為了材料科學和凝聚態物理的研究熱點，科學家們最初的研究，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、超導體、生物醫學等領域的應用。但巴勃羅卻注意到了一個被忽略的方向：如果把兩層石墨烯疊在一起，再輕輕扭一扭，讓它們的蜂窩結構產生微小的角度偏差，會發生什么？這個看似簡單的想法，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），他們在《美國國家科學院院刊（PNAS）》發表了題為Moiré bands in twisted double-layer graphene的經典論文（艾倫?H?麥克唐納任職于美國德克薩斯大學奧斯汀分校，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論證了雙層石墨烯在小角度扭轉下的電子結構變化：當兩層石墨烯扭轉至1.1° 左右的特定角度時，會形成摩爾超晶格結構，石墨烯中的電子狄拉克速度趨于零，進而形成平坦的電子能帶—— 這一狀態下電子的動能大幅降低，運動變得 “慢吞吞”，電子間的庫倫相互作用成為主導，為強關聯量子現象（如超導、莫特絕緣態）的出現創造了理想條件。這個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，用實驗去驗證這個有趣的猜想。

發現神奇魔角

而要驗證這個猜想，首先要直面的就是超導研究的行業難題——在此之前，人類發現的所有超導現象，都離不開極端條件的支撐，這也是超導研究多年來難以走向實用化的核心原因。在 2018 年巴勃羅團隊發現魔角石墨烯超導現象前，常規的超導現象想要實現，必須滿足嚴苛的環境條件，且超導機制的研究也受限于復雜的材料體系，具體條件可分為兩類：一是極低溫是超導實現的核心前提；二是部分超導體還需超高壓力輔助。

要完成魔角石墨烯的超導驗證實驗，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，想要把它們精準扭轉到 1.1° 的魔角，難度堪比“用鑷子夾著頭發絲穿針”。巴勃羅和他的團隊反復嘗試，改進實驗設備，摸索操作技巧，終于掌握了高精度的二維材料剝離、疊合和扭轉技術 ——他們先把石墨烯和絕緣的六方氮化硼薄片精準剝離，再將兩層石墨烯小心翼翼地疊合，通過微納加工技術控制扭轉角度，最后封裝成穩定的實驗樣品，為后續的測試做好了準備。而曹原的加入，也為這個研究團隊注入了新的活力，師徒二人攜手，朝著這個未知的科學領域發起了挑戰。

2018年，是巴勃羅團隊研究生涯中濃墨重彩的一年，他們終于完成了那個看似不可能的實驗，找到了那個神奇的“魔角”——1.1度，也首次在魔角扭曲雙層石墨烯中，觀測到了超導現象。

▲雙層石墨烯超導體中的電子對示意圖，圖片來自普林斯頓大學

巴勃羅的團隊把兩層石墨烯精準扭轉到1.1度，再把它們放到極低溫的環境中測試，結果發現，當給石墨烯加上一定的電壓時，它的電阻突然消失了，電子毫無阻礙地在里面流動——超導現象真的出現了！這個發現發表后，立刻轟動了全球物理學界，大家沒想到，僅僅是把石墨烯扭一扭，就能觸發如此奇妙的物理現象。而當時還在巴勃羅實驗室做研究的曹原，也因在這項研究中的重要貢獻，成為了物理界備受關注的年輕學者。

這一發現的背后，是具有里程碑意義的科研突破，其重大價值遠超 “發現一種新超導體” 本身，為超導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仍需要極低溫，但它的發現證明，通過結構調控激活的超導特性，其機制與傳統超導體完全不同，科學家可以沿著這一思路，探索不同二維材料組合、不同扭轉角度的超導特性，嘗試在更高溫度下實現超導。如今全球眾多科研團隊基于這一思路，已在多種扭轉二維材料中發現了超導現象，不斷提升超導臨界溫度，讓人類離 “室溫超導” 的終極目標越來越近。

開創扭角電子學新領域

在發現魔角石墨烯的超導現象后，巴勃羅和他的團隊沒有停下探索的腳步，而是順著這條線索，繼續深挖魔角石墨烯的各種特性，也讓一個全新的研究領域——扭角電子學，逐漸成型。

扭角電子學，說起來也不復雜，核心就是通過精準調控二維材料的層間扭轉角度，來改變材料的電子特性，就像我們擰收音機的旋鈕調頻道一樣，科學家們通過“扭轉”二維材料，調出自己想要的材料特性。

巴勃羅的團隊在后續的研究中，不斷解鎖魔角石墨烯的新“技能”：2025年2月，他們首次測出了魔角扭曲雙層石墨烯的超流剛度——這個指標能反映超導體的“超導能力”，結果發現它的數值遠高于傳統理論的預測，證明這種石墨烯的超導特性，是由一種全新的量子效應調控的。

▲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，也可以成為超導體。

圖片來源：麻省理工學院

同年7月，他們又發現，三層石墨烯扭到特定角度后，在強磁場下依然能保持超導，這種特性在現有超導體中十分罕見，為研發抗磁場的超導體提供了新方向；12月，他們再次發現，這種三層魔角石墨烯的超導機制和傳統超導體完全不同，為設計室溫超導體提供了關鍵線索。

這些研究成果，一篇篇發表在《自然》《科學》等國際頂級期刊上，也讓扭角電子學成為了凝聚態物理領域的研究熱點。如今，全球各地的科學家都加入到這個領域的研究中，探索不同二維材料、不同扭轉角度下的奇妙現象，而巴勃羅，無疑是這個領域的“領路人”。

生活與愛，科研之外

憑借在二維材料和扭角電子學領域的開創性貢獻，巴勃羅獲得了國際物理學界的廣泛認可，人生一路“開掛”，斬獲了多項重量級大獎。

截至目前，他獲得了包括2006年的西班牙皇家學會青年研究員獎，2008年的NSF職業獎，2009年的Alfred P. Sloan獎，2009年的David和Lucile Packard獎，2010年的IUPAP青年科學家半導體物理學獎 ，2011年的美國能源部早期職業獎，以及2020年凝聚態物理最高榮譽Buckley獎和2020年沃爾夫物理學獎等眾多獎項。近期，逐漸成為“諾貝爾獎”風向標大獎的BBVA基金會的知識前沿獎揭曉了其2026年基礎科學（Basic Sciences）領域的獲獎人，巴勃羅是第十八屆BBVA基金會基礎科學領域知識前沿獎兩位獲獎者之一。

在實驗室里，巴勃羅是嚴謹認真的科研大咖，而走出實驗室，他就是一個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，他就會和家人、朋友一起走進大自然，沿著山間小路徒步，登上山頂俯瞰遠方。他期望有一天能夠環游世界。

他還喜歡閱讀各類領域的書籍。在他看來，不同領域的書籍，能帶來不同的思考方式，歷史書能讓人以史為鑒，文學書能讓人感受人性的美好，科幻小說則能激發想象力——而想象力，是科研創新的重要源泉。有時候，在閱讀中看到的一個想法，可能就會為他的實驗設計帶來新的靈感。

除此之外，巴勃羅還喜歡和家人一起烹飪。他是西班牙人，對美食有著天然的熱愛，閑暇時會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，享受溫馨的家庭時光。

參考資料：

來源：墨子沙龍

編輯：子木

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