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25岁天才少年!曹原第5篇《Nature》重要发现:比魔角双层石墨烯还强!

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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。

 

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)

 

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