在2018年，麻省理工Pablo Jarillo-Herrero課題組將兩片石墨烯堆疊起來并旋轉(zhuǎn)~1.1°，于是發(fā)現(xiàn)了石墨烯新的電子態(tài)，可以簡單實現(xiàn)從絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，開啟了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的時代。這一轟動性的發(fā)現(xiàn)由中國少年曹原作為第一作者背靠背發(fā)表了兩篇《Nature》，而那神奇的1.1°也被命名為“magic-angle”，即所謂的“魔角”。
從此之后，魔角石墨烯便一發(fā)不可收拾，接連登上《Nature》&《Science》，成為了國際前沿研究領(lǐng)域最熱門的話題。而在今年7月，魔角石墨烯的研究又取得了突破性的進展，相關(guān)研究發(fā)表在《Nature》上。這是魔角石墨烯近三個月內(nèi)的第5篇《Nature》，當(dāng)之無愧地成為今年最熱門的研究之一！
【今年成果回顧】
連發(fā)兩篇《Nature》似乎成了魔角石墨烯的標簽。就在今年五月，Pablo Jarillo-Herrero課題組再次背靠背連發(fā)兩篇《Nature》，其中一篇，曹原是第一作者兼共同通訊作者；另一篇中，曹原為共同第一作者，曹原一人貢獻兩篇，累計4篇。
第一篇論文研究了新的基于小角度扭轉(zhuǎn)的雙層-雙層石墨烯體系。該體系能夠調(diào)控石墨烯的相關(guān)絕緣體狀態(tài)，而且對扭轉(zhuǎn)角和電場位移場都高度敏感。該研究報道的相關(guān)態(tài)對磁場的響應(yīng)，證明了自旋極化基態(tài)的存在，這是在之前的魔角石墨烯體系中所觀察不到的，該結(jié)果為進一步探索多平帶扭曲超晶格中扭曲角和電場控制的相關(guān)相態(tài)提供了新的思路。
第二篇論文研究了扭轉(zhuǎn)角的分布信息，以六方氮化硼封裝的魔角石墨烯為研究對象，使用納米級針尖掃描超導(dǎo)量子干涉裝置獲得處于量子霍爾態(tài)的朗道能級的斷層圖像，并繪制了局部扭轉(zhuǎn)角的變化圖。結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)角的無序程度與魔角石墨烯的傳輸特性密切相關(guān)，推動了相關(guān)物理現(xiàn)象的解釋以及應(yīng)用的發(fā)展。
又在今年六月，魔角石墨烯又又又一次《Nature》二連，其中一篇由以色列科學(xué)家S. Ilani與Pablo Jarillo-Herrero聯(lián)手發(fā)表，即今年魔角石墨烯的第三篇《Nature》。該研究發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯的能帶在整數(shù)填充附近經(jīng)歷了劇烈的轉(zhuǎn)變，相關(guān)聯(lián)的相起源于具有非常規(guī)能帶序列的高能態(tài)，在遠高于超導(dǎo)和絕緣態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度下觀察到了相變和類狄拉克電子特征。這項研究為揭示魔角石墨烯的超導(dǎo)和絕緣態(tài)之間相互作用關(guān)系提供了新的思路。
今年第四篇《Nature》由普林斯頓大學(xué)Ali Yazdani課題組發(fā)表在該月同一天，研究團隊通過高分辨率掃描隧道顯微鏡觀測魔角石墨烯的譜學(xué)性質(zhì)隨電子填充函數(shù)的變化，最終發(fā)現(xiàn)在低溫下魔角石墨烯中會出現(xiàn)各種絕緣和超導(dǎo)基態(tài)相。該研究是對魔角石墨烯高溫超導(dǎo)的進一步探索，為高溫超導(dǎo)的實現(xiàn)開辟了新的道路。
【超導(dǎo)還是絕緣？】
魔角石墨烯之所以被稱為“magic”，是因為在這特定的角度下，石墨烯就像被施了魔法，它可以表現(xiàn)得像一個絕緣體，沒有電流可以通過，同時也可以表現(xiàn)得像一個超導(dǎo)體，電流可以零阻力地流動。然而到目前為止，學(xué)者們還沒有提出合適的理論能夠完全在微觀上解釋魔角石墨烯的這種特性，這也引發(fā)了許多研究來試圖揭示這種材料各種現(xiàn)象背后的物理學(xué)原理，并可能導(dǎo)致超導(dǎo)研究的重大突破。因此，理解超導(dǎo)相和絕緣相之間的關(guān)系具有重要意義，是當(dāng)前魔角石墨烯研究的焦點和挑戰(zhàn)。
近日，巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院Dmitri K. Efetov等深入研究了這一獨特的物理現(xiàn)象，并報道了對這種扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的電子相互作用的調(diào)控，為上述現(xiàn)象找到了可能的解釋。該研究以題為“Untying the insulating and superconducting orders in magic-anglegraphene”的論文發(fā)表在了《Nature》上，這是魔角石墨烯三個月內(nèi)的第5篇《Nature》！
【超導(dǎo)/絕緣關(guān)系的新理解】
通常在魔角下，雙層石墨烯會形成絕緣態(tài)。作者在改變石墨烯扭轉(zhuǎn)角的過程中（略微偏離±0.05°），通過調(diào)節(jié)石墨烯和金屬屏蔽層之間的距離來控制電子的速度和相互作用能量，允許它們自由移動，從而將絕緣相變成超導(dǎo)相。該研究進一步發(fā)現(xiàn)通過改變不同器件配置中的電壓，超導(dǎo)相能夠保持，而相關(guān)的絕緣相消失。魔角石墨烯中超導(dǎo)相的反常特征產(chǎn)生了超低的載流子濃度，暗示了電子-聲子之間相互作用的原理，而半填充的絕緣相能在外加0.4T的磁場作用下重新產(chǎn)生揭示了在這種系統(tǒng)中的強相互作用。這一結(jié)果表明，絕緣相和超導(dǎo)相實際上并不是共生關(guān)系，而是競爭關(guān)系。
總結(jié)：魔角石墨烯超導(dǎo)和絕緣態(tài)的微觀機理研究一直是國際前沿研究的焦點和挑戰(zhàn)，作者的這項工作為揭示雙層魔角石墨烯中的絕緣態(tài)和超導(dǎo)態(tài)之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系提供了借鑒意義，加深了對這種相進行控制的其中微觀機制的理解，并為理解具備強相互作用的超導(dǎo)體系提供了新的方案。
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