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3年6篇Nature，四川“天才少年”曹原的魔角石墨烯之路！

來源：測試GO 時間：2021-04-02 16:24:08 瀏覽：11337次

提起二維材料，我們可能會想到石墨烯、MoS₂、WS₂、Mxenes等這些廣為人知的“常客”。其中，石墨烯（一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的材料），由于優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種革命性的材料（圖1）。

圖1 石墨烯結構圖

隨著科學技術的飛速發展，近些年來，石墨烯的“革命性”正在逐漸顯現。

在石墨烯大放異彩的科學大背景下，2018年，一顆新星冉冉升起了。

他就是，來自“天府之國”，四川成都的“天才少年”，曹原（圖2），人稱“曹Nature”！

圖2 曹原人物圖

2018年3月5日，頂級期刊《Nature》連發兩篇文章報道石墨烯領域的重大發現：當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度時，就會產生神奇的超導效應，為超導體的實際應用打開了新世界的大門。曾經困擾物理學家多年的高溫超導難題因為該研究發現迎刃而解！這一發現，轟動了當時的國內外學術界，開辟了凝聚態物理的一塊全新領域，同時，也為研究電子與電子之間的關聯效應，提供了全新的、開辟性的理論基礎。

這就是，magic-angle twisted bilayer graphene，魔角石墨烯！

而本次兩篇Nature的第一作者，就是來自于中國的曹原。這個出生于1996年的年輕小伙子，這個來自于四川成都的“天才少年”！3年學完小學、初中和高中課程，中國科學技術大學少年班，麻省理工學院博士生，“石墨烯駕馭者”……這些標簽連同他的成就一起，閃耀了整個科學界。曹原也因此登上了2018年《Nature》雜志的年度十大科學人物，并位列榜首（圖3）！

圖3 2018年《Nature》年度十大科學人物

科學探索永無止境，“少年天才”的腳步并沒有停止，曹原和他的魔角石墨烯并非曇花一現！兩年后的2020年5月6日，曹原再次在《Nature》上連續發文兩篇，揭示了他在魔角石墨烯領域取得的系列進展。

2021年2月1日，曹原再次拓展他對魔角石墨烯的研究，在魔角扭曲三層石墨烯中發現了莫爾超導，其電子結構和超導性能的可調性優于此前已知的唯一一種可重復測量其超導性的魔角扭曲雙層石墨烯，該文依然刊登在《Nature》上。

時隔兩個月的昨天，2021年4月1日，《Nature》再次報道了對魔角扭曲雙層石墨烯的破缺對稱性的多體基態及其非平凡拓撲結構的研究，通訊兼第一作者依然是魔角石墨烯的開拓者：曹原。

短短3年時間，魔角石墨烯以“星火燎燃”之勢，激蕩了國內外學術界，無數學者對其進行了爭相研究，也催生出了大量優秀的研究結果與發現。為了對魔角石墨烯及系列研究進展進行跟蹤總結，筆者選取了以曹原為第一作者或通訊作者的6篇Nature文章，進行簡單的總結概括。

1

魔角石墨烯的非常規超導性

目前，對高度相關的材料，特別是非常規超導體的行為，已經進行了數十年的廣泛研究。然而，由于理論探索的缺乏并未得到突破性進展。在此，曹原等人首次報道了在二維超晶格中本征非常規超導性的實現（無法用弱的電子-聲子相互作用來解釋），該二維超晶格是通過堆疊兩張彼此相對的小角度扭曲的石墨烯而形成的（圖4）。對于大約1.1°的扭曲角（第一個“魔角”），此“扭曲的雙層石墨烯”的電子能帶結構在接近費米能量的情況下顯示出平坦的能帶，從而在半填充時產生了相關的絕緣態。在材料遠離這些相關的絕緣態進行靜電摻雜后，作者觀察到臨界溫度高達1.7 K的可調零電阻狀態。扭曲的雙層石墨烯的溫度-載流子密度相圖類似于氧化銅（或銅酸鹽），并包括與超導性相對應的圓頂形區域。此外，材料的縱向電阻中的量子振蕩表明，在相關的絕緣態附近存在小的費米表面，這與摻雜不足的銅酸鹽類似。考慮到如此小的費米表面，扭曲的雙層石墨烯的相對超導臨界溫度較高，使其成為電子之間的配對強度最強的超導體之一。作為一種精確可調的、純碳基的二維超導體，魔角扭曲雙層石墨烯的發現打開了超導領域的新大門。

圖4 石墨烯超晶格中的二維超導

2

魔角石墨烯超晶格半填充的絕緣行為

范德華異質結構是一種由兩層之間的范德華力垂直堆疊在一起的二維結構塊組成的超材料。這種設計意味著范德華異質結構的特性可以得到精確的調控，甚至比常規二維材料表現出來的特性更加準確，因而異質結構中不同層之間的“扭轉”角至關重要。對于較小的扭曲角，由二維層之間的晶格取向失調產生的莫爾圖案會產生堆疊順序的遠距離調制。迄今為止，對范德華異質結構中扭曲角影響的研究主要集中在由六方氮化硼頂部的單層石墨烯組成的異質結構上，由于六方氮化硼中的帶隙較大，它們表現出相對較弱的層間相互作用。作者研究了由雙層石墨烯組成的異質結構，其中兩個石墨烯層相對于彼此扭曲了一定角度。通過實驗證明，當該角度接近“魔角”時，由于層間強耦合，費米能量接近零的電子能帶結構變得平坦，這些平坦的帶在半填充時表現出絕緣狀態（圖5）。研究表明，在半填充狀態下，這些相關狀態與Mott狀絕緣子狀態一致，這可能是由于電子被莫爾條紋所誘導而定位在超晶格中。魔角扭曲的雙層石墨烯異質結構的這些性質表明，該材料可在沒有磁場的情況下用于研究二維的其他奇異多體量子相。

圖5 魔角石墨烯中的半填充絕緣狀態

3

扭曲雙層石墨烯的可調諧相關態和自旋極化相

魔角扭曲雙層石墨烯中相關絕緣體狀態和超導性的最新發現，使得對在扭轉范德華異質結構中實現的可調諧平帶系統中的電子相關性進行實驗研究成為可能。作者研究了一個基于小角度扭曲雙層石墨烯（TBBG）的高度可調的相關系統，該系統由兩層旋轉的伯納爾堆疊雙層石墨烯組成。結果表明，TBBG具有豐富的相圖，具有可調諧的相關絕緣體狀態，對扭曲角和電場位移場都高度敏感，而后者反映了貝爾納爾堆疊的雙層石墨烯的固有極化率。相關的絕緣體狀態可以通過在莫爾晶胞的所有整數電子填充處的位移場來打開和關閉。這些相關態對磁場的響應表明自旋極化的基態的存在，這也與魔角扭曲的雙層石墨烯形成了鮮明的對比（圖6）。

圖6 TBBG的結構和傳輸特性

4

魔角石墨烯中的扭曲角無序和朗道能級

最近在魔角扭曲雙層石墨烯中發現的扁平電子帶和強相關、超導相至關嚴重地依賴于層間扭曲角。雖然可以控制精度約為0.1度的整體層間扭曲角，但關于局部扭轉角的分布信息很少。因此，作者致力于研究扭曲角的分布信息。他們以六方氮化硼封裝的魔角扭曲雙層石墨烯為研究對象，使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置獲得了處于量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，并繪制了中間層扭曲角的變化圖。研究發現，中間層扭曲角的無序程度與魔角扭曲雙層石墨烯傳輸特性的質量之間存在相關性。即使是使用最先進的設備，其中間層扭曲角的局部變化也高達0.1度。而且，魔角石墨烯中的相關狀態相對于扭曲角的異常特別脆弱。總之，這項研究證明了中間層扭曲角無序作的重要性，為相關物理現象的實現和應用提供了指導（圖7）。

圖7 朗道能級的結構和沿線掃描扭曲角的推導

5

魔角扭曲三層石墨烯中的莫爾超導

莫爾超晶格由于具有前所未有的可調節性逐漸成為當前研究相關物理學和超導性的重要支撐。相關研究表明，魔角扭曲雙層石墨仍然是目前已知的唯一可重復測試強超導性的石墨烯。為此，作者首次研究并發現了魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）中的莫爾超導，且它的電子結構和超導特性的可調諧性比魔角扭曲的雙層石墨烯更好（圖8）。以霍爾效應和量子振蕩為基礎，密度和電場為函數的測量使得研究者能夠確定正常金屬狀態下系統的可調諧相界。零磁場電阻率測量顯示，超導電性的存在與每個莫爾單元格中兩個載流子出現的對稱相緊密相連。作者結合相關結果建立了可調諧的莫爾條紋超導體系列，有望徹底改變人們對強耦合超導性的基本理解和潛在應用。

圖8 鏡像對稱MATTG中的電子結構與強超導性

6

魔角扭曲雙層石墨烯的對稱性破缺多體基態和非平凡拓撲現象

由相互作用驅動的自發對稱性破缺，是物質許多量子相的核心。在莫爾系統中，在平坦帶中破缺的自旋/谷堆成構成了所謂的父態，并最終從該父態出現了相關的拓撲基本狀態。然而，這種對稱性破裂的微觀機理及其與低溫相的聯系尚不清楚。作者通過同時進行熱力學和輸運測量，研究了魔角扭曲雙層石墨烯的破缺對稱多體基態及其非平凡拓撲現象。研究者采用六方氮化硼的超薄層，將魔角扭曲雙層石墨烯與單層石墨烯分離，利用頂柵電壓和背柵電壓來控制多層膜和多層膜的密度，同時測量兩層膜的輸運特性（圖9）。作者還測量了與Chern絕緣子態相對應的能隙，其中Chern絕緣子態的Chern數分別為3、2、1，填充因子分別為1、2、3，對稱性一致，這打破了魔角扭曲雙層石墨烯的“霍夫斯塔特蝴蝶效應”。而且，同時測量電阻率和化學勢可在奇怪的金屬狀態下提供魔角扭曲石墨烯隨溫度變化的電荷擴散率，而該結果以前僅在超冷原子中得到了探究與證實。該研究作為魔角石墨烯領域的新突破，有利于新型量子材料領域的拓展與開發。

圖9 化學勢測量的器件結構和演示

參考文獻

[1] Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50 (2018). https://doi.org/10.1038/nature26160co.

[2] Cao, Y., Fatemi, V., Demir, A. et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 80–84 (2018). https://doi.org/10.1038/nature26154.

[3] Cao, Y., Rodan-Legrain, D., Rubies-Bigorda, O. et al. Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene. Nature 583, 215–220 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2260-6.

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[6] Park, J.M., Cao, Y., Watanabe, K. et al. Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene. Nature 592, 43–48 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03366-w.

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