25岁天才少年！曹原第6篇《Nature》：魔角石墨烯再次取得突破！
wei编辑推荐：25岁发表6篇Nature！其中两次还是连发两篇。今天发表的这篇是共同一作兼通讯作者。
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
2021年4月1日，来自美国麻省理工学院的曹原(通讯兼第一作者)&Pablo Jarillo-Herrero等研究者，使用同时的热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)的破缺对称性的多体基态及其非平凡拓扑结构。相关论文以题为“Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene”发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w
相互作用驱动的自发对称性破缺，是物质许多量子相的核心。在moiré系统中，在平坦带中破缺的旋转/山谷“味”对称构成了父态，相关基态和拓扑基态，最终由此产生。然而，这种对称性破坏的微观机制，及其与低温阶段的联系还不清楚。
在具有平坦电子带的凝聚态系统中，电子间的库仑相互作用，很容易超过它们的动能，从而产生各种奇异的量子相，包括莫特绝缘子、量子自旋液体和维格纳晶体等。在这种强关联状态下，电子可能会自发地以增加其动能为代价，使总库仑能最小，从而打破某些对称性。这种不对称状态，可以发生在相对较高的能量尺度，并作为出现在较低能量尺度相的母态，例如超导性。此外，当系统中存在非平凡的拓扑结构时，强关联性和底层拓扑结构之间的相互作用，可能会形成新的物质相。了解这种相互作用背后的物理原理，可以指导人们，设计下一代强关联拓扑量子材料。
MATBG作为一个独特的平台，可用于研究高度可调谐的平带系统中的交互-驱动现象。当两层单层石墨烯(MLG)以小扭角θ≈1.1°堆叠时，产生的moiré超晶格中的层间杂化，使费米速度重新正规化，并在低能量下产生平带。在这种情况下，实验证明了许多奇异的相关和拓扑现象，包括相关绝缘子态、超导和量子反常霍尔效应。扫描隧穿和单电子晶体管实验，直接证明了库仑诱导相变打破自旋/谷对称性的重要性。尽管在实验和理论上取得了重大进展，但破缺对称性状态的微观结构，及其与相关相位和超导性的可能联系，仍需进一步研究。
本文中，研究者通过直接测量MATBG多体基态的综合热力学和输运性质，研究了相互作用驱动的对称破缺和非平凡拓扑之间的相互作用。研究者采用六方氮化硼的超薄层，将MATBG与MLG层分离(hBN；约1纳米厚；图1a)。研究者利用顶栅电压Vtg和背栅电压Vbg，来控制多层膜和多层膜的密度，同时测量两层膜的输运特性。单层化学势μ的直接探测，是通过感应另一层栅极的电场屏蔽来实现的(图1b)。特别地，当一层位于电荷中性点(CNP)时，例如nMLG= 0，其中nMLG为MLG的载流子密度，另一层的化学势为，其中Ctg和Ci分别为hBN顶部和中间介质单位面积的几何电容，e为电子电荷。
图1 化学势测量的器件结构及演示。
在此，研究者直接观察到这种对称性的打破，作为在所有整数填充moiré超晶格的化学势的固定，证明了Hund耦合在多体基态的重要性。在打破时间反演对称时，表现出底层平带的拓扑性质，研究者测量了分别在填充因子为1、2、3时Chern数为3、2、1的Chern绝缘子态对应的能隙，这和MATBG的霍夫斯塔特蝴蝶谱的不对称性相一致。此外，同时测量电阻率和化学势提供了，奇异金属状态下MATBG随温度变化的电荷扩散率，这个量以前只在超冷原子中研究过。
图2 MATBG的化学势与温度和面内磁场的关系。
图3 垂直磁场中MATBG的相关Chern间隙的探测。
图4 奇异金属状态下MATBG的电阻率、电子压缩系数和扩散系数。
综上所述，该研究结果有助于人类无论在有无磁场下，更接近于理解MATBG拓扑带相互作用的统一框架。（文：水生）