2018年3月5日，Nature雜志連續刊登了麻省理工學院（MIT）Pablo Jarillo-Herrero和曹原的兩篇文章，發表了其團隊在石墨烯超導領域的重大發現。賓夕法尼亞大學的Eugene J. Mele專門發文對此進行評述。

Pablo Jarillo-Herrero（左）和Yuan Cao（右）

范德華異質結構是二元構筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎上，可以實現更多的工程化操縱。其中一個方向，就是通過控制層間扭曲角度，來調控范德華異質結的電子結構。曹原所在團隊在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變，打開了非常規超導體研究的大門。這項研究成果為超導研究帶來了新思路，也為全新電學性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/nature26160

https://www.nature.com/articles/nature26154

Nature雜志在2018年3月5日以背靠背的長文形式，在網站刊登了這項還沒來得及排版的重大研究成果，并配以Eugene J. Mele的評述。

圖1. 不同角度扭曲的雙層石墨烯

Cao等人發現，堆疊的雙層石墨烯中，電學行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。對于物理學家而言，電學行為通常是由能量主導。而在這項研究中，單層石墨烯內原子間電子移動有關的能量在eV量級，而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。

要想解開這個謎題，對稱性是關鍵！

對于結構高度有序的單層石墨烯而言，電學性能取決于對稱性。研究人員制備了旋轉扭曲的雙層石墨烯，通過電子之間的相互作用來控制整個體系的電子態。旋轉產生的位錯使石墨烯層中的電子能帶結構不再對齊，單胞變大。

圖2.扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結構

研究人員發現，扭曲的雙層石墨烯會產生兩種全新的電子態。一種電子態是Mott絕緣體態，來源于電子之間的強排斥作用。另一種是超導態，來源于電子之間的強吸引作用而產生零電阻。

當旋轉角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應增項，從而產生非導電的Mott絕緣態。在Mott絕緣態情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉變為超導態。

圖3. 石墨烯超晶格中的二維超導

這項研究成果，為超導研究帶來了新思路，也為全新電學性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺！

曹原，1996年出生，2010年考入中國科學技術大學少年班，并入選嚴濟慈物理英才班。他在校期間表現優異，2014年獲中國科大畢業生最高榮譽郭沫若獎學金，之后赴MIT攻讀博士學位。2016年，他在美國物理學會主辦的高水平學術期刊PRL（Physical Review Letters）發表文章：Superlattice-induced insulating states and valley-protected orbits in twisted bilayer graphene，深獲好評。