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24岁天才少年!曹原今日再次双发《Nature》,魔角石墨烯重大进展

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作为一个科研人,你是否还记得曹原这个名字。今天的目光将再次聚焦于这位1996年出生的24岁天才少年。曹原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,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,当时《Nature》杂志来不及排版就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。

24岁天才少年!曹原今日再次双发《Nature》,魔角石墨烯重大进展

图 2018年曹原双发Nature

如今,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》再次背靠背,分别以题为“Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene”和“Mapping the twist-angle disorder and Landaulevels in magic-angle graphene”发表了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。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

24岁天才少年!曹原今日再次双发《Nature》,魔角石墨烯重大进展

论文一:扭曲双层-双层石墨烯中可调相关态和自旋极化相

与魔角扭曲双层石墨烯相关绝缘体态和超导电性的最新发现,使得在扭曲范德华异质结构中实现可调与电子关联的实验研究成为可能,同时这种新颖的扭转角控制可以推广到其他二维系统中,而且能够表现出类似的物理行为,并且能够调谐和控制电子-电子相互作用的强度。

在这里,作者报告了一个基于小角度扭曲双层-双层石墨烯(TBBG)高度可调的相关系统,该系统由两层旋转的贝纳尔堆叠的双层石墨烯组成。研究表明,TBBG呈现丰富相图,具有可调谐相关绝缘体态,对扭转角和电位移场的应用都高度敏感,后者反映了贝纳尔堆叠的双层石墨烯的固有极化率。相关的绝缘体状态可以通过摩尔单位晶格的所有整数电子器件的位移场来打开和关闭。

与魔角扭曲双层石墨烯形成鲜明对比的是,这些相关态对磁场的响应表明了自旋极化基态的存在。此外,在较低的扭曲角范围内,TBBG在电荷中性附近显示了多组平坦带,导致许多相关状态对应于每个平坦带的半填充,这些状态也可以通过位移场进行调整。这样的结果使得有助于能够探索多平带扭曲超晶格中物质的扭角和电场控制相关相态。

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图1.TBBG的结构和传输特性

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图2.TBBG中位移场可调的相关绝缘体状态

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图3. TBBG中位移场可调的相关绝缘体状态的磁场响应

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图4.多平坦能带系统中的相关绝缘体状态

论文二:魔角石墨烯中的扭曲角无序和朗道能级

魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)的电子能带结构在电中性点附近呈现非常扁平的能带,使得电子与电子的库伦相互作用可以超过电子在晶格中运动的动能,进而使强关联作用变得非常明显,其超导性能关键取决于中间层扭曲角(θ)的大小,虽然控制具有约0.1度的精度已证明,但极少提供扭转角的分布的信息。

在这里,作者使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置(SQUID-on-tip)获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像,并绘制六方氮化硼(hBN)封装的MATBG器件的局部θ变化图,其相对精度达到0.002度,并且空间分辨率为几个莫尔周期。研究发现了θ无序程度与MATBG传输特性的质量之间的相关性,即使最先进的设备,其θ局部变化也高于0.1°。

同时MATBG中的相关状态相对于扭曲角异常特别脆弱,θ的梯度会产生大的栅极可调谐的平面内电场,即使在金属区域也不会被屏蔽,从而通过形成边缘通道而改变量子霍尔态,可能会影响相关态和超导态的相图。因此,作者确立了θ无序作为一种非传统的无序类型的重要性,使扭曲角梯度能够用于带状结构工程,以用于器件应用的门可调谐内置平面电场。

24岁天才少年!曹原今日再次双发《Nature》,魔角石墨烯重大进展

图5.MATBG中全局和局部量子霍尔特征之间的比较。

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图6.朗道能级水平的结构和沿线扫描扭曲角的推导

真是厉害!别人24岁已经两次双发nature,想想自己24岁的时候……(文:Caspar)

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