提起魔角石墨烯，就绕不开中国物理天才曹原，这位年轻学者因一年内手握数篇顶刊一鸣惊人，而背后为他引路、给予实验与研究支持的，正是他的导师巴勃罗・贾里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）。这位西班牙物理学家深耕二维材料领域，一手开创扭角电子学新方向，因此成为了诺贝尔物理学奖的热门人选。今天，就让我们走进巴勃罗・贾里洛-埃雷罗，看看这位科研大咖的科研之路。
▲巴勃罗・贾里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero），西班牙物理学家。
年少求学
巴勃罗・贾里洛-埃雷罗出生于西班牙的巴伦西亚，1999年本科毕业于西班牙巴伦西亚大学物理专业，2001年获得了加州大学圣地亚哥分校硕士学位，之后转战荷兰于2005年于获得代尔夫特理工大学博士学位，在本校短暂继续了一段博后之后，于2006年以Nano Research Initiative Fellow的身份加入当时还在哥伦比亚大学的超级大佬金必立（Philip Kim，两篇石墨烯Nature论文引用超万次）课题组。2008年1月开始，他加入麻省理工学院先是担任物理学助理教授，并于2018年成为正教授。
▲Pablo Jarillo-Herrero（青年时期），图片来自于网络
作为一名教授，巴勃罗不仅是优秀的科研工作者，也是一位出色的导师。他从不要求学生照搬自己的研究思路，反而鼓励学生大胆尝试，哪怕实验失败了，他也会和学生一起分析原因，从失败中总结经验。他的实验室，一直保持着开放、包容的氛围，不管是资深的研究人员，还是刚入门的年轻学生，都可以自由发表自己的想法。因此，他研究团队中不乏众多怀揣物理梦想的年轻人，曹原就是其中之一。
▲曹原（左），巴勃罗・贾里洛-埃雷罗（右），图片来自于麻省理工学院官网
素有石墨烯驾驭者之称的“天才少年”——曹原，18岁从中科大少年班本科毕业后便前往美国麻省理工学院读研究生，进入了巴勃罗・贾里洛-埃雷罗课题组。2018年，巴勃罗・贾里洛-埃雷罗团队震惊全世界的发现“魔角”的两篇论文，一作便是曹原，这也使得当时年仅22岁的他成为了《Nature》创刊149年来以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。
偶遇石墨烯
想要读懂巴勃罗的研究，首先要弄明白什么是二维材料，而石墨烯作为二维材料中最具代表性的明星，更是他研究的核心载体。在我们的日常生活中，接触到的都是石头、金属、塑料这类三维材料——它们有长、宽、高三个维度，是实实在在的立体物质；而二维材料，就是被 “削” 到极致的层状材料，它的厚度只有一层或几层原子那么薄，长宽方向可以无限延伸，厚度却小到以纳米计算（1 纳米等于十亿分之一米），就像一张没有厚度的 “原子纸”，漂浮在三维空间中。
▲电子显微镜下石墨烯薄片， 图片来源wikipedia
从科学定义来说，二维材料是指在一个维度上的尺寸被严格限制在纳米尺度，另外两个维度呈宏观延伸的低维材料，这种特殊的维度限制，让它的物理特性和三维材料产生了天壤之别。因为电子在二维材料中，只能在长宽构成的平面上运动，无法在厚度方向自由穿梭，这种量子限制效应让二维材料展现出三维材料完全没有的奇妙性质，比如超高的导电性、超强的机械强度、独特的光学特性等。而根据成分和结构，二维材料也分很多种类：有由单一元素构成的单质二维材料，比如石墨烯（碳）、硅烯（硅）、磷烯（磷）；也有由两种及以上元素构成的化合物二维材料，比如二硫化钼、六方氮化硼；还有把不同二维材料叠合在一起的二维异质结，巴勃罗后来研究的扭曲石墨烯，就属于这类特殊的二维异质结。
而在众多二维材料中，石墨烯无疑是最知名、研究最深入的那一个。它是由单层碳原子构成的六边形蜂窝状晶体结构，简单来说，就是把碳原子像搭积木一样，一个个连起来形成密密麻麻的六边形网格，就像我们平时看到的铁丝网，只是构成它的 “铁丝” 是碳原子，“网格” 的尺寸只有原子级别。石墨烯的厚度仅有 0.335 纳米，把 100 万层石墨烯叠在一起，才有一根头发丝的直径那么粗，是人类目前发现的最薄的材料。
▲石墨烯结构示意图， 图片来源wikipedia
在2004年之前，学界一直认为，单层的二维材料无法在常温常压下稳定存在，因为原子层太单薄，很容易发生团聚或坍塌，直到英国曼彻斯特大学的安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫，用最简单的 “胶带剥离法” 打破了这个认知——他们用透明胶带反复粘撕石墨片，把层层叠叠的石墨一点点剥薄，最终得到了稳定存在的单层石墨烯。这个看似 “简单粗暴” 的实验，让石墨烯从理论走进了现实，二人也因此获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。
▲2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究
石墨烯的出现，让科学家们看到了二维材料的无限可能，因为它身上集中了太多 “逆天” 的特性：它是已知最坚硬的材料，机械强度比钢铁高 200 倍，却又拥有极好的柔韧性，能像塑料膜一样随意弯曲、折叠；它的导电性远超传统材料，室温下电子在石墨烯中的运动速度达到了光速的 1/300，比硅快上百倍，而且电子在运动中几乎不会遇到阻力，散热性也极佳，导热能力比金刚石还要好；它还具有超高的透光性，透光率达到 97.7%，几乎完全透明，同时又能阻隔气体分子，连最小的氢气分子都无法穿过。
也正因如此，石墨烯一经发现就成为了材料科学和凝聚态物理的研究热点，科学家们最初的研究，大多集中在单层石墨烯的本征特性上，探索它在柔性电子屏、新能源电池、超导体、生物医学等领域的应用。但巴勃罗却注意到了一个被忽略的方向：如果把两层石墨烯叠在一起，再轻轻扭一扭，让它们的蜂窝结构产生微小的角度偏差，会发生什么？这个看似简单的想法，最终让他解锁了石墨烯的全新奥秘。
2011 年，艾伦・H・麦克唐纳（Allan H. MacDonald） 与拉菲・比斯翠策（Rafi Bistritzer），他们在《美国国家科学院院刊（PNAS）》发表了题为Moiré bands in twisted double-layer graphene的经典论文（艾伦・H・麦克唐纳任职于美国德克萨斯大学奥斯汀分校，二人是同校的理论物理研究合作者），首次通过理论模型系统论证了双层石墨烯在小角度扭转下的电子结构变化：当两层石墨烯扭转至1.1° 左右的特定角度时，会形成摩尔超晶格结构，石墨烯中的电子狄拉克速度趋于零，进而形成平坦的电子能带—— 这一状态下电子的动能大幅降低，运动变得 “慢吞吞”，电子间的库伦相互作用成为主导，为强关联量子现象（如超导、莫特绝缘态）的出现创造了理想条件。这个猜想就像一颗投入湖面的石子，在巴勃罗的心里激起了涟漪，他立刻决定，用实验去验证这个有趣的猜想。
发现神奇魔角
而要验证这个猜想，首先要直面的就是超导研究的行业难题——在此之前，人类发现的所有超导现象，都离不开极端条件的支撑，这也是超导研究多年来难以走向实用化的核心原因。在 2018 年巴勃罗团队发现魔角石墨烯超导现象前，常规的超导现象想要实现，必须满足严苛的环境条件，且超导机制的研究也受限于复杂的材料体系，具体条件可分为两类：一是极低温是超导实现的核心前提；二是部分超导体还需超高压力辅助。
要完成魔角石墨烯的超导验证实验，可不是一件容易的事。两层石墨烯的厚度加起来还不到 1 纳米，想要把它们精准扭转到 1.1° 的魔角，难度堪比“用镊子夹着头发丝穿针”。巴勃罗和他的团队反复尝试，改进实验设备，摸索操作技巧，终于掌握了高精度的二维材料剥离、叠合和扭转技术 ——他们先把石墨烯和绝缘的六方氮化硼薄片精准剥离，再将两层石墨烯小心翼翼地叠合，通过微纳加工技术控制扭转角度，最后封装成稳定的实验样品，为后续的测试做好了准备。而曹原的加入，也为这个研究团队注入了新的活力，师徒二人携手，朝着这个未知的科学领域发起了挑战。
2018年，是巴勃罗团队研究生涯中浓墨重彩的一年，他们终于完成了那个看似不可能的实验，找到了那个神奇的“魔角”——1.1度，也首次在魔角扭曲双层石墨烯中，观测到了超导现象。
▲双层石墨烯超导体中的电子对示意图，图片来自普林斯顿大学
巴勃罗的团队把两层石墨烯精准扭转到1.1度，再把它们放到极低温的环境中测试，结果发现，当给石墨烯加上一定的电压时，它的电阻突然消失了，电子毫无阻碍地在里面流动——超导现象真的出现了！这个发现发表后，立刻轰动了全球物理学界，大家没想到，仅仅是把石墨烯扭一扭，就能触发如此奇妙的物理现象。而当时还在巴勃罗实验室做研究的曹原，也因在这项研究中的重要贡献，成为了物理界备受关注的年轻学者。
这一发现的背后，是具有里程碑意义的科研突破，其重大价值远超 “发现一种新超导体” 本身，为超导研究和二维材料研究都打开了全新的局面。
虽然魔角石墨烯的超导仍需要极低温，但它的发现证明，通过结构调控激活的超导特性，其机制与传统超导体完全不同，科学家可以沿着这一思路，探索不同二维材料组合、不同扭转角度的超导特性，尝试在更高温度下实现超导。如今全球众多科研团队基于这一思路，已在多种扭转二维材料中发现了超导现象，不断提升超导临界温度，让人类离 “室温超导” 的终极目标越来越近。
开创扭角电子学新领域
在发现魔角石墨烯的超导现象后，巴勃罗和他的团队没有停下探索的脚步，而是顺着这条线索，继续深挖魔角石墨烯的各种特性，也让一个全新的研究领域——扭角电子学，逐渐成型。
扭角电子学，说起来也不复杂，核心就是通过精准调控二维材料的层间扭转角度，来改变材料的电子特性，就像我们拧收音机的旋钮调频道一样，科学家们通过“扭转”二维材料，调出自己想要的材料特性。
巴勃罗的团队在后续的研究中，不断解锁魔角石墨烯的新“技能”：2025年2月，他们首次测出了魔角扭曲双层石墨烯的超流刚度——这个指标能反映超导体的“超导能力”，结果发现它的数值远高于传统理论的预测，证明这种石墨烯的超导特性，是由一种全新的量子效应调控的。
▲两片石墨烯以略微偏移的“魔角”堆叠在一起，既可以成为绝缘体，也可以成为超导体。
图片来源：麻省理工学院
同年7月，他们又发现，三层石墨烯扭到特定角度后，在强磁场下依然能保持超导，这种特性在现有超导体中十分罕见，为研发抗磁场的超导体提供了新方向；12月，他们再次发现，这种三层魔角石墨烯的超导机制和传统超导体完全不同，为设计室温超导体提供了关键线索。
这些研究成果，一篇篇发表在《自然》《科学》等国际顶级期刊上，也让扭角电子学成为了凝聚态物理领域的研究热点。如今，全球各地的科学家都加入到这个领域的研究中，探索不同二维材料、不同扭转角度下的奇妙现象，而巴勃罗，无疑是这个领域的“领路人”。
生活与爱，科研之外
凭借在二维材料和扭角电子学领域的开创性贡献，巴勃罗获得了国际物理学界的广泛认可，人生一路“开挂”，斩获了多项重量级大奖。
截至目前，他获得了包括2006年的西班牙皇家学会青年研究员奖，2008年的NSF职业奖，2009年的Alfred P. Sloan奖，2009年的David和Lucile Packard奖，2010年的IUPAP青年科学家半导体物理学奖 ，2011年的美国能源部早期职业奖，以及2020年凝聚态物理最高荣誉Buckley奖和2020年沃尔夫物理学奖等众多奖项。近期，逐渐成为“诺贝尔奖”风向标大奖的BBVA基金会的知识前沿奖揭晓了其2026年基础科学（Basic Sciences）领域的获奖人，巴勃罗是第十八届BBVA基金会基础科学领域知识前沿奖两位获奖者之一。
在实验室里，巴勃罗是严谨认真的科研大咖，而走出实验室，他就是一个有着诸多爱好的普通人。
巴勃罗最喜欢的放松方式，就是徒步和登山。一有空闲，他就会和家人、朋友一起走进大自然，沿着山间小路徒步，登上山顶俯瞰远方。他期望有一天能够环游世界。
他还喜欢阅读各类领域的书籍。在他看来，不同领域的书籍，能带来不同的思考方式，历史书能让人以史为鉴，文学书能让人感受人性的美好，科幻小说则能激发想象力——而想象力，是科研创新的重要源泉。有时候，在阅读中看到的一个想法，可能就会为他的实验设计带来新的灵感。
除此之外，巴勃罗还喜欢和家人一起烹饪。他是西班牙人，对美食有着天然的热爱，闲暇时会和家人一起研究菜谱，做一顿地道的西班牙美食，和家人朋友围坐在一起分享，享受温馨的家庭时光。
参考资料：
来源：墨子沙龙
编辑：子木
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