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炸裂！他是一作发表《Nature》的最年轻中国学者！今日再发第6篇《Nature》！

2021-04-06 16:18:29 29 1008

研究背景

看到标题，没错，又是他，曹原，这几年频频发表轰动世界的成果，这里还是简单介绍一下，曹原，1996年出生，四川成都人，中国学者，毕业于中国科学技术大学少年班，现为美国麻省理工学院博士。他因入选世界顶尖学术期刊《自然》杂志“2018年度科学人物”并位列榜首而知名，其发现了让石墨烯实现零电阻导电的方法，被《自然》赞誉为“石墨烯驾驭者”，另外，曹原是在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。曾长淦教授曾评价说，曹原很聪明，14岁就上大学，中学也跳了很多级，还是很厉害的。在我平常跟他接触中，他也是很聪明的。布置的任务，他能在完成的基础上更往前推进。如果布置到五分，他能够完成到六到七分，做得更多一点。这就是他超出其他同学的部分。

我们来回顾一下，2018年3月5日，《自然》发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。曹原发现让石墨烯实现零电阻导电的方法，开创了物理学全新的研究领域，能源利用率与能源运输效率有望大幅提高。链接点击：天才！96年21岁博士连发2篇Nature

2020年5月6日，分别以第一作者兼共同通讯作者、共同第一作者的身份在最新一期Nature连发两篇论文。链接点击：“天才少年”曹原再次连发2篇Nature！在魔角石墨烯取得系列新进展

2021年2月1日，以第一作者兼通讯作者身份，在《自然》杂志上发表《Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene》论文，这是曹原的第五篇《Nature》论文。链接点击：超神！1年完成高中课程，14岁上中科大，这位天才少年今日再发《Nature》！

今天，喜讯再次传来！

在具有平坦电子带的凝聚态系统中，电子之间的库仑相互作用很容易超过它们的动能，并产生各种奇异的量子相，包括莫特绝缘体、量子自旋液体和维格纳晶体。在这种强关联的状态下，电子可以自发地命令自己最小化总库仑能，代价是增加它们的动能，导致某些对称性的破坏。这种对称性破缺状态可以出现在相对较高的能量尺度上，并作为出现在较低能量尺度上的相的母态，例如超导。此外，当系统中存在非平凡拓扑时，强相关性和底层拓扑之间的相互作用可能导致物质的新阶段。理解这种相互作用背后的物理学可以指导我们设计下一代强关联拓扑量子材料。

MATBG（魔角扭曲双层石墨烯）作为一个独特的平台来研究高度可调的平带系统中的相互作用驱动现象。当两层单层石墨烯(MLG)以θ ≈ 1.1的小扭转角堆叠时，所得莫尔超晶格中的层间杂化使费米速度重整化，并在低能量下产生平带。在这种情况下，大量奇异的相关和拓扑现象已经被实验证明，包括相关绝缘体状态，超导性和量子反常霍尔效应。扫描隧道效应和单电子晶体管实验已经直接显示了破坏自旋/谷对称性的库仑诱导相变的重要性。尽管在实验和理论上取得了重大进展，但是破坏对称态的微观图像及其与相关相和超导性的可能联系需要进一步研究。

研究成果

相互作用驱动的自发对称性破缺是许多物质量子相的核心。在云纹系统中，平带中破裂的自旋/谷“味”flavour对称性是母体状态的基础，相关的拓扑基态最终从母体状态出现。然而，这种风味对称性破坏的微观机制及其与低温相的联系尚不清楚。今日，美国麻省理工学院的Jeong Min Park、曹原等研究人员使用同时进行的热力学和输运测量来研究魔角扭曲双层石墨烯的破对称多体基态及其非平凡拓扑。直接观察到味对称性的破坏，作为莫尔超晶格所有整数填充物的化学势的钉扎，证明了味洪德耦合在多体基态中的重要性。底层平带的拓扑性质表现在打破时间反转对称性上，在填充因子1、2、3处分别用Chern数3、2、1测量对应于Chern绝缘体状态的能隙，这与MATBG的Hofstadter蝴蝶谱中的味对称性破损是一致的。此外，电阻率和化学势的同时测量提供了奇异金属区中与温度相关的MATBG电荷扩散率——这个量以前只在超冷原子中探索过。这项研究结果使人们更接近一个统一的框架，来理解在有磁场和没有磁场的情况下，MATBG拓扑带中的相互作用。相关研究工作以“Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

图文速递

图1. 化学势测量装置结构及演示

图2. 作为温度和面内磁场的函数的MATBG化学势

在这里，作者通过直接测量多体基态的热力学和输运性质来研究相互作用驱动的对称性破缺和非平凡拓扑之间的相互作用，使用文献中描述的技术来感应MATBG（魔角扭曲双层石墨烯）的化学势。MATBG通过六方氮化硼的超薄层与MLG层分离。实验中使用的MLG层具有非常低的无序度< 3×10⁹ cm²(图1c)。MATBG层具有θ= 1.07±0.03的扭转角。该技术能够以≲1 meV的灵敏度确定任一层的化学势。

图3垂直磁场中磁隧道结相关陈氏间隙的探讨

图4 奇异金属区的电阻率、电子压缩性和扩散性

拓扑间隙可以直接在图3a中观察到。在电荷中性附近，作者观察到间隙在朗道能级填充因子ν_LL= 0，2，4处以μ为步长，其位置根据Streda公式d_n/d_B = ν_LL/ϕ₀。演化同时，μ在ν = 1，2，3时的极值在B_⊥ = 0时演化为B_⊥ = 6 T时的拓扑间隙。它们的演化遵循相同的Streda公式d_n/d_B = ν_LL/ϕ₀，这表明C = 3，2，1的总Chern数分别与ν = 1，2，3时的状态相关。

结论与展望

当具有相似晶格常数的两个单层石墨烯垂直堆叠且略微未对准时，则会呈现出周期性莫尔图案，从而改变材料的电子态和相变，产生新颖的物理性质。在有磁场和没有磁场的情况下，MATBG拓扑带中的相互作用被阐明，这是曹原的第6篇nature，年仅25岁，就取得如此辉煌，令人敬佩！他曾经在一天时间内连发两篇《自然》杂志，在自己22岁的时候攻克世界物理史上107年无法解决的难题，石墨烯超导角度，他是2020年全球十大科学人物的版单榜首，他花了三年时间就读完了小学，初中，高中的全部课程，并且在2010年的时候以高考699分的成绩进入了中科大少年班，中科大期间他每次都是名列前茅，之后进入美国麻省理工大学攻读物理，最近几年曹原不断攻克物理界的难题，甚至有希望成为物理学最年轻的诺贝尔获得者，期待取得更多突破！

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w

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