超导体

25 岁的他，成为 2021 年度麦克米兰奖（McMillan Award）获奖者，这个奖项也是凝聚态物理领域的青年物理学家最高奖。据美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）资料，曹原的获奖理由是“扭曲双层石墨烯中超导性和相关量子现象的开创性发现和探索”。

魔角石墨烯的相关研究再发 Nature，这一次的论文作者又是麻省理工学院（MIT）曹原及其团队。这已经是他在 Nature 发的第 8 篇论文，距离上次发表 Science 仅过去 3 个月。

7月22日，“天才少年”曹原再次已第一作者+通讯作者的身份在国际顶尖学术期刊Nature上发表了关于魔角石墨烯的最新研究成果。自2018年3月，两篇“背靠背”成果引爆了学术圈后，曹原一直保持着超高频率的顶刊发表速度，此次发表的成果已是他人生中的第八篇Nature，如此丰硕的成果，着实令人艳羡。

在该研究中，曹原等人在魔角扭曲的三层石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene，MATTG）材料中观察到一种罕见的超导现象。研究发现，当 θ 等于大约 1.6° 的“魔幻”角时，MATTG在低温（低至1开尔文）下电阻为零，变为超导体。令人惊讶的是，MATTG在高达 10 特斯拉的惊人高磁场下仍然表现出超导性，这比传统超导体所预测的材料所能承受的磁场高出三倍!

作者在较高的磁场中观测到在较窄的载流子浓度区间和偏置电压中能够重复获得超导性的现象，说明在三层魔角石墨烯材料中产生的超导性来自于非自旋单重态的Cooper对，通过外部磁场控制能够实现在不同相之间转变。作者通过相关研究，展示了Moiré超导量子材料中丰富的物理现象和作用规律，为发展和设计新型量子材料提供帮助，说明魔角石墨烯作为一种比较罕见的防磁超导材料。

作者展示了拓扑结构如何减轻库仑排斥并提供以前未探索的超导途径。该机制不仅阐明了为什么其他几种莫尔材料没有表现出超导性，而且还指出了预期具有强大超导性且未探索过的平台。

报道了在魔角扭曲双层石墨烯（TBG）中识别具有破碎旋转对称性的缠绕相。利用横向电阻测量，发现一个强各向异性相，位于超导圆顶的欠掺杂区域上方的“楔形区”内。当它与超导圆顶交叉时，观察到临界温度的降低。此外，超导态表现出对与方向相关的面内磁场的各向异性响应，揭示了整个超导圆顶的向列有序。这些结果表明，向列波动可能在魔角TBG的低温相发挥重要作用。

Moiré平带体系中的电子能够自发表现破缺时间反转对称性（spontaneously break time reversal symmetry），产生量子化的异常霍尔效应，有鉴于此，加州大学圣巴巴拉分校A. F. Young等报道超导量子干涉器件（quantum interference device）对结合在六方BN中的扭角双层石墨烯进行离散磁场成像，发现单位电荷载流子中的磁化强度达到个数个玻尔磁子，说明轨道的主要特征是磁性，作者在测试结果中发现，当对化学势沿着量子反常霍尔能带的方向扫描，磁性产生非常大的改变，这种现象符合由于磁化轨道Chern绝缘体的手性边缘态导致的现象。通过对电场驱动磁翻转现象进行空间成像表征，作者在石墨烯结构畸变处发现微米尺度磁域。

电子通常在更高的温度下活动更自由，但最近一篇发表在Nature上的文章指出，在双层魔角扭转石墨烯体系中，温度升高反而会使电子“冻结”。而另一篇几乎同时发表在Nature Materials上的文章中则在飞秒激光作用后在石墨烯中观察到明亮的热等离激元发光。又是热到冻结又是热到发光，且听笔者娓娓道来，为大家解读石墨烯的双面“烯”生。