在2018年，麻省理工Pablo Jarillo-Herrero課題組將兩片石墨烯堆疊起來(lái)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(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)從絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，開(kāi)啟了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的時(shí)代。這一轟動(dòng)性的發(fā)現(xiàn)由中國(guó)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(guó)際前沿研究領(lǐng)域最熱門(mén)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(jìn)展，相關(guān)研究發(fā)表在《Nature》上。這是魔角石墨烯近三個(gè)月內(nèi)的第5篇《Nature》，當(dāng)之無(wú)愧地成為今年最熱門(mén)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(biāo)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(xiàn)兩篇，累計(jì)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(duì)扭轉(zhuǎn)角和電場(chǎng)位移場(chǎng)都高度敏感。該研究報(bào)道的相關(guān)態(tài)對(duì)磁場(chǎng)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(jìn)一步探索多平帶扭曲超晶格中扭曲角和電場(chǎng)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(duì)象，使用納米級(jí)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(jí)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(wú)序程度與魔角石墨烯的傳輸特性密切相關(guān)，推動(dòng)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(yuǎn)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(lèi)狄拉克電子特征。這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨率掃描隧道顯微鏡觀測(cè)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(huì)出現(xiàn)各種絕緣和超導(dǎo)基態(tài)相。該研究是對(duì)魔角石墨烯高溫超導(dǎo)的進(jìn)一步探索，為高溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了新的道路。
【超導(dǎo)還是絕緣？】
魔角石墨烯之所以被稱(chēng)為“magic”，是因?yàn)樵谶@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(gè)絕緣體，沒(méi)有電流可以通過(guò)，同時(shí)也可以表現(xiàn)得像一個(gè)超導(dǎo)體，電流可以零阻力地流動(dòng)。然而到目前為止，學(xué)者們還沒(méi)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(lái)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(diǎn)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(dú)特的物理現(xiàn)象，并報(bào)道了對(duì)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(gè)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(huì)形成絕緣態(tài)。作者在改變石墨烯扭轉(zhuǎn)角的過(guò)程中（略微偏離±0.05°），通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯和金屬屏蔽層之間的距離來(lái)控制電子的速度和相互作用能量，允許它們自由移動(dòng)，從而將絕緣相變成超導(dǎo)相。該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(chǎng)作用下重新產(chǎn)生揭示了在這種系統(tǒng)中的強(qiáng)相互作用。這一結(jié)果表明，絕緣相和超導(dǎo)相實(shí)際上并不是共生關(guān)系，而是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。
總結(jié)：魔角石墨烯超導(dǎo)和絕緣態(tài)的微觀機(jī)理研究一直是國(guó)際前沿研究的焦點(diǎn)和挑戰(zhàn)，作者的這項(xiàng)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(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系提供了借鑒意義，加深了對(duì)這種相進(jìn)行控制的其中微觀機(jī)制的理解，并為理解具備強(qiáng)相互作用的超導(dǎo)體系提供了新的方案。
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