wei編輯推薦：25歲發(fā)表6篇Nature！其中兩次還是連發(fā)兩篇。今天發(fā)表的這篇是共同一作兼通訊作者。

曹原，1996年出生。2010年考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，并入選嚴(yán)濟(jì)慈物理英才班。他在校期間表現(xiàn)優(yōu)異，2014年獲中國科大畢業(yè)生最高榮譽(yù)郭沫若獎學(xué)金，之后赴美國MIT攻讀博士學(xué)位。2018年12月18日，榮登《自然》2018年度影響世界的十大科學(xué)人物榜首。

2018年，曹原以第一作者身份在《Nature》上連發(fā)兩篇文章，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，賦予石墨烯超導(dǎo)能力的“魔角”，從而引發(fā)奇特的超導(dǎo)效應(yīng)，《Nature》連發(fā)兩篇關(guān)于轉(zhuǎn)角石墨烯的重大成果，并配以評述。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界為之震動，開辟了凝聚態(tài)物理的新領(lǐng)域。

當(dāng)無數(shù)的科學(xué)家正在重復(fù)其實驗時，曹原及其合作者于北京時間2020年5月7日在《Nature》再次連發(fā)兩篇關(guān)于魔角石墨烯的最新進(jìn)展。其中一篇曹原是第一作者與通訊作者，另一篇曹原是共同第一作者。

2021年2月1日，來自美國麻省理工學(xué)院的曹原以共同一作和第一通訊的身份在Nature發(fā)表最新成果，在魔角扭曲三層石墨烯發(fā)現(xiàn)了moiré超導(dǎo)體，且該體系在電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能方面的可調(diào)性，優(yōu)于魔角扭曲雙層石墨烯。相關(guān)論文以題為“Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twistedtrilayer graphene”發(fā)表在Nature上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0

2021年4月1日，來自美國麻省理工學(xué)院的曹原（通訊兼第一作者）&Pablo Jarillo-Herrero等研究者，使用同時的熱力學(xué)和輸運(yùn)測量，研究了魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的破缺對稱性的多體基態(tài)及其非平凡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Flavour Hund's coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene”發(fā)表在Nature上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w

相互作用驅(qū)動的自發(fā)對稱性破缺，是物質(zhì)許多量子相的核心。在moiré系統(tǒng)中，在平坦帶中破缺的旋轉(zhuǎn)/山谷“味”對稱構(gòu)成了父態(tài)，相關(guān)基態(tài)和拓?fù)浠鶓B(tài)，最終由此產(chǎn)生。然而，這種對稱性破壞的微觀機(jī)制，及其與低溫階段的聯(lián)系還不清楚。

在具有平坦電子帶的凝聚態(tài)系統(tǒng)中，電子間的庫侖相互作用，很容易超過它們的動能，從而產(chǎn)生各種奇異的量子相，包括莫特絕緣子、量子自旋液體和維格納晶體等。在這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)狀態(tài)下，電子可能會自發(fā)地以增加其動能為代價，使總庫侖能最小，從而打破某些對稱性。這種不對稱狀態(tài)，可以發(fā)生在相對較高的能量尺度，并作為出現(xiàn)在較低能量尺度相的母態(tài)，例如超導(dǎo)性。此外，當(dāng)系統(tǒng)中存在非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，強(qiáng)關(guān)聯(lián)性和底層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的相互作用，可能會形成新的物質(zhì)相。了解這種相互作用背后的物理原理，可以指導(dǎo)人們，設(shè)計下一代強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)淞孔硬牧稀?/span>

MATBG作為一個獨(dú)特的平臺，可用于研究高度可調(diào)諧的平帶系統(tǒng)中的交互-驅(qū)動現(xiàn)象。當(dāng)兩層單層石墨烯（MLG）以小扭角θ≈1.1°堆疊時，產(chǎn)生的moiré超晶格中的層間雜化，使費(fèi)米速度重新正規(guī)化，并在低能量下產(chǎn)生平帶。在這種情況下，實驗證明了許多奇異的相關(guān)和拓?fù)洮F(xiàn)象，包括相關(guān)絕緣子態(tài)、超導(dǎo)和量子反常霍爾效應(yīng)。掃描隧穿和單電子晶體管實驗，直接證明了庫侖誘導(dǎo)相變打破自旋/谷對稱性的重要性。盡管在實驗和理論上取得了重大進(jìn)展，但破缺對稱性狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，及其與相關(guān)相位和超導(dǎo)性的可能聯(lián)系，仍需進(jìn)一步研究。

本文中，研究者通過直接測量MATBG多體基態(tài)的綜合熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)，研究了相互作用驅(qū)動的對稱破缺和非平凡拓?fù)渲g的相互作用。研究者采用六方氮化硼的超薄層，將MATBG與MLG層分離（hBN；約1納米厚；圖1a）。研究者利用頂柵電壓Vtg和背柵電壓Vbg，來控制多層膜和多層膜的密度，同時測量兩層膜的輸運(yùn)特性。單層化學(xué)勢μ的直接探測，是通過感應(yīng)另一層?xùn)艠O的電場屏蔽來實現(xiàn)的（圖1b）。特別地，當(dāng)一層位于電荷中性點(diǎn)（CNP）時，例如nMLG= 0，其中nMLG為MLG的載流子密度，另一層的化學(xué)勢為，其中Ctg和Ci分別為hBN頂部和中間介質(zhì)單位面積的幾何電容，e為電子電荷。

圖1 化學(xué)勢測量的器件結(jié)構(gòu)及演示。

在此，研究者直接觀察到這種對稱性的打破，作為在所有整數(shù)填充moiré超晶格的化學(xué)勢的固定，證明了Hund耦合在多體基態(tài)的重要性。在打破時間反演對稱時，表現(xiàn)出底層平帶的拓?fù)湫再|(zhì)，研究者測量了分別在填充因子為1、2、3時Chern數(shù)為3、2、1的Chern絕緣子態(tài)對應(yīng)的能隙，這和MATBG的霍夫斯塔特蝴蝶譜的不對稱性相一致。此外，同時測量電阻率和化學(xué)勢提供了，奇異金屬狀態(tài)下MATBG隨溫度變化的電荷擴(kuò)散率，這個量以前只在超冷原子中研究過。

圖2 MATBG的化學(xué)勢與溫度和面內(nèi)磁場的關(guān)系。

圖3 垂直磁場中MATBG的相關(guān)Chern間隙的探測。

圖4 奇異金屬狀態(tài)下MATBG的電阻率、電子壓縮系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。

綜上所述，該研究結(jié)果有助于人類無論在有無磁場下，更接近于理解MATBG拓?fù)鋷嗷プ饔玫慕y(tǒng)一框架。