编辑推荐：25岁发表5篇Nature，其中两次还是连发两篇。
曹原，1996年出生。2010年考入中国科学技术大学少年班，并入选严济慈物理英才班。他在校期间表现优异，2014年获中国科大毕业生最高荣誉郭沫若奖学金，之后赴美国MIT攻读博士学位。2018年12月18日，荣登《自然》2018年度影响世界的十大科学人物榜首。
2018年，曹原以第一作者身份在《Nature》上连发两篇文章，发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，赋予石墨烯超导能力的“魔角”，从而引发奇特的超导效应，《Nature》连发两篇关于转角石墨烯的重大成果，并配以评述。国内外学术界为之震动，开辟了凝聚态物理的新领域。
当无数的科学家正在重复其实验时，曹原及其合作者于北京时间2020年5月7日在《Nature》再次连发两篇关于魔角石墨烯的最新进展。其中一篇曹原是第一作者与通讯作者，另一篇曹原是共同第一作者。
2021年2月1日，来自美国麻省理工学院的曹原以共同一作和第一通讯的身份在Nature发表最新成果，在魔角扭曲三层石墨烯发现了moiré超导体，且该体系在电子结构和超导性能方面的可调性，优于魔角扭曲双层石墨烯。相关论文以题为“Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twistedtrilayer graphene”发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0
近些年来，Moiré超晶格因其出色的可调节性，已经成为研究相关物理和超导性的平台。尽管在其他几个moiré体系中，也观察到了相关效应，但魔术角扭曲双层石墨烯，仍然是唯一一种可重复测量到强超导性的Moiré体系。当两层或两层以上的二维(2D)材料堆叠在一起时，由于层间的小扭角或晶格失配，会产生一个电子带宽降低的moiré超晶格。在这种平带系统中，电子相互作用占主导地位，可获得对各种相关和拓扑相的观察。其中，魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)，因其引人入胜的超导相，而引起了特别的关注。虽然超导的特征在其他系统中也有报道，但直到目前为止，超导性的决定性证据——包括观察到的零电阻、尖锐的开关电压-电流(V-I)特性和约瑟夫森相位相干性—仅在MATBG中得到了重复的证明。
在这里，研究者报告了在一个由三个相邻的石墨烯层依次被θ和−θ扭曲的魔角系统中，实现了超强耦合超导性(图1a)。研究者认为在Tc/TF≳0.1处存在强耦合，其中Tc为临界温度，TF = πħn*/(m*kB)为费米温度(kB,Boltzmann常数；ħ，约化普朗克常数；m*，测量有效质量)。研究者测量霍尔效应和量子振荡作为密度和电场的函数，使德研究者能够确定系统在正常金属状态下的可调相位边界。零磁场电阻率测量表明，超导性的存在与每个moiré单胞中两个载流子产生的破缺对称性相位密切相关。
与此同时，研究者发现超导相位被抑制，并局限于部分围绕破缺对称性相位的范霍夫奇点，这是与弱耦合的Barden-Cooper-Schrieffer理论难以调和的。此外，该系统广泛的原位可调性，使得其能够达到超强耦合状态，其特征是Ginzburg-Landau相干长度达到平均粒子间距离，以及非常大的TBKT/TF值，超过0.1(其中TBKT和TF分别是Berezinskii-Kosterlitz-Thouless转变温度和费米温度)。以上研究表明，MATTG可以在接近二维玻色-爱因斯坦凝聚体的交叉处，进行电学调谐。
图1 镜像对称MATTG中的电子结构与强超导性。
图2 MATTG相图。
图3 超强耦合超导性与邻近BCS-BEC交叉点。
图4 超导电性与从|ν| = 2相位出现的载流子之间的联系。
为了进一步了解MATTG超导相图，研究者分析了涉及超导的载流子类型。图4a, b分别显示了，大位移场和小位移场在−4 < ν < 0范围内的量子振荡测量。图4f, g图中显示了电子的相应数据，即0 < ν < +4范围。在小的D(包括0)，在|ν| = 2处有一个‘reset’，这表现为一个由|ν| = 2起源的向外(远离ν =0)的朗道扇形图(图4b, g)。这些扇形图在ν|附近结束，在这里新的外向扇形图开始，与那里发生的“reset”一致(图2b, c)，这表明到不同的破缺对称相基态的相变。在这些小的D值中，超导性被限制在|ν| =2和|ν| = 3之间的区域(图2a-c)，如图4e所示。
综上所述，研究者的实验指向了一种强耦合超导机制，这种机制与ν =±2的基态密切相关，最大Tc值主要由载流子密度决定，而不是由DOS的精确结构决定。同时，注意到VHS的存在，会影响破缺对称性相位下的相变。这些观测结果表明，研究者应考虑moiré超导体超强耦合强度理论模型的发展。尤其值得注意的是，应确定是什么使MATBG和MATTG成为坚固的超导体。一种可能性是它们都有一定的对称性，特别是近似的C2对称性。有趣的是，这种对称性在其他基于石墨烯的moiré系统中并不存在。该研究表明，未来对其他C2-对称的moiré系统的研究，应确定这种对称性对于moiré平带强耦合超导的形成，是否必不可少。（文：水生）
联系客服
