作為一個科研人，你是否還記得曹原這個名字。今天的目光將再次聚焦于這位1996年出生的24歲天才少年。曹原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，之后赴美國MIT攻讀博士學位。

2018年，曹原以第一作者身份在《Nature》上連發兩篇文章，發現當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，賦予石墨烯超導能力的“魔角”，從而引發奇特的超導效應，當時《Nature》雜志來不及排版就連發兩篇關于轉角石墨烯的重大成果，并配以評述。國內外學術界為之震動，開辟了凝聚態物理的新領域。

圖 2018年曹原雙發Nature

如今，當無數的科學家正在重復其實驗時，曹原及其合作者于北京時間2020年5月7日在《Nature》再次背靠背，分別以題為“Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene”和“Mapping the twist-angle disorder and Landaulevels in magic-angle graphene”發表了關于魔角石墨烯的最新進展。其中一篇曹原是第一作者與通訊作者，另一篇曹原是共同第一作者。

論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

論文一：扭曲雙層-雙層石墨烯中可調相關態和自旋極化相

與魔角扭曲雙層石墨烯相關絕緣體態和超導電性的最新發現，使得在扭曲范德華異質結構中實現可調與電子關聯的實驗研究成為可能，同時這種新穎的扭轉角控制可以推廣到其他二維系統中，而且能夠表現出類似的物理行為，并且能夠調諧和控制電子-電子相互作用的強度。

在這里，作者報告了一個基于小角度扭曲雙層-雙層石墨烯（TBBG）高度可調的相關系統，該系統由兩層旋轉的貝納爾堆疊的雙層石墨烯組成。研究表明，TBBG呈現豐富相圖，具有可調諧相關絕緣體態，對扭轉角和電位移場的應用都高度敏感，后者反映了貝納爾堆疊的雙層石墨烯的固有極化率。相關的絕緣體狀態可以通過摩爾單位晶格的所有整數電子器件的位移場來打開和關閉。

與魔角扭曲雙層石墨烯形成鮮明對比的是，這些相關態對磁場的響應表明了自旋極化基態的存在。此外，在較低的扭曲角范圍內，TBBG在電荷中性附近顯示了多組平坦帶，導致許多相關狀態對應于每個平坦帶的半填充，這些狀態也可以通過位移場進行調整。這樣的結果使得有助于能夠探索多平帶扭曲超晶格中物質的扭角和電場控制相關相態。

圖1.TBBG的結構和傳輸特性

圖2.TBBG中位移場可調的相關絕緣體狀態

圖3. TBBG中位移場可調的相關絕緣體狀態的磁場響應

圖4.多平坦能帶系統中的相關絕緣體狀態

論文二：魔角石墨烯中的扭曲角無序和朗道能級

魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的電子能帶結構在電中性點附近呈現非常扁平的能帶，使得電子與電子的庫倫相互作用可以超過電子在晶格中運動的動能，進而使強關聯作用變得非常明顯，其超導性能關鍵取決于中間層扭曲角（θ）的大小，雖然控制具有約0.1度的精度已證明，但極少提供扭轉角的分布的信息。

在這里，作者使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處于量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，并繪制六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG器件的局部θ變化圖，其相對精度達到0.002度，并且空間分辨率為幾個莫爾周期。研究發現了θ無序程度與MATBG傳輸特性的質量之間的相關性，即使最先進的設備，其θ局部變化也高于0.1°。

同時MATBG中的相關狀態相對于扭曲角異常特別脆弱，θ的梯度會產生大的柵極可調諧的平面內電場，即使在金屬區域也不會被屏蔽，從而通過形成邊緣通道而改變量子霍爾態，可能會影響相關態和超導態的相圖。因此，作者確立了θ無序作為一種非傳統的無序類型的重要性，使扭曲角梯度能夠用于帶狀結構工程，以用于器件應用的門可調諧內置平面電場。

圖5.MATBG中全局和局部量子霍爾特征之間的比較。

圖6.朗道能級水平的結構和沿線掃描扭曲角的推導

真是厲害！別人24歲已經兩次雙發nature，想想自己24歲的時候……（文：Caspar）

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