約 2 年前，麻省理工學院物理學家Pablo Jarillo-Herrero所帶領的團隊，首次發現只要將兩層石墨烯旋轉到特定的 「魔法角度」 相互疊加，它們就可以在零阻力的情況下傳導電子。該發現被認為或是數十年來尋找室溫超導體十分重要的一步。
Nature連刊兩文報導了團隊的這一 「魔角石墨烯」 發現，第一作者均為當時年僅 21 歲的麻省理工學院博士生曹原。曹原因此開創性工作入選 「2018 年度十大人物」 榜單，成為該領域的風向標人物。
曹原於 1996 年出生，籍貫四川成都，2010 年考入中科大少年班，併入選「嚴濟慈物理英才班」，是 2014 年中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金獲得者。現為麻省理工學院電氣工程與計算機科學系博士生，師從麻省理工學院物理學家 Pablo Jarillo-Herrero。
Pablo Jarillo-Herrero 教授同樣因其 「魔角石墨烯」 研究獲得 2020 年巴克利凝聚態物理獎（Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）、 2020 年沃爾夫獎。
圖 | 曹原和他的導師 Pablo Jarillo-Herrero （來源：MIT）
近日，Pablo 團隊再度於Nature發表他們在 「魔角石墨烯」 上的研究，曹原分別為一作和共同第一作者。
最新的兩篇背靠背文章，探討用同樣的方法應用於其他二維材料體系，繼續完善 「魔角石墨烯」 相關的理論和實驗研究。基於 「魔角石墨烯」 的一系列發現，有望在未來應用到諸如能源、電子、環境科學和計算機產業等領域。
圖 | 2018 年的Nature雜誌十大人物封面圖致敬 「魔角石墨烯」 研究（來源：Nature）
在 2018 年的研究中，Pablo 、曹原團隊將兩層石墨烯在疊加並使其碳原子圖案偏移 1.1° 的角度，最後製備的材料竟然具有超導特性。
儘管該系統仍需要冷卻到絕對零度以上 1.7 度，但結果表明，它可能像已知的高溫超導體一樣導電，這已讓物理學家興奮不已。（參加報導：《21歲MIT中國科學家連發兩篇《Nature》論文：室溫超導有望實現重大突破，石墨烯揭開其中「魔法」 | 獨家》）
當時，馬德裡材料科學研究所物理學家 Elena Bascones 就表示，「如果這一發現得到證實，可能對理解高溫超導十分重要」。史丹福大學的物理學家、諾貝爾獎獲得者 Robert Laughlin 說，「我們可以期待在接下來的幾個月裡，會有瘋狂的實驗活動來填補藍圖中缺失的部分」。
圖丨德州大學奧斯汀分校的物理學教授 Allan MacDonald 和博士後 Rafi Bistritzer 最早在理論上預言了「魔角石墨烯」（ 來源：David Steadman, David Steadman /University of Texas at Austin）
果不其然，在 Pablo 、曹原團隊的成果發布之後，「魔角石墨烯」實驗得到多個團隊的重複，並吸引到越來越多的物理學家投入到雙分子層石墨烯神奇特性的研究之中，「魔角石墨烯」成為紅極一時的全新方向，相關的成果接二連三地登上Science、Nature等頂級期刊。
通常而言，超導體大致有兩種類型：常規的超導體，即其活動可以用超導的主流理論來解釋；非常規的超導體，即不能用主流理論解釋的。而根據麻省理工團隊的研究，石墨烯的超導行為屬於後者，並且與其他的非常規超導體——銅氧化物超導體的活動類似。
石墨烯一直是一種神奇的材料，具有令人驚訝的特性：這種由單層碳原子以六邊形延伸構成的片狀材料比鋼還強、比銅導電性還好。它在與其他材料接觸時，也曾表現出超導性，但這種行為可以用常規超導性來解釋。
而且，石墨烯這種材料比較簡單，科學家已經對其研究得算比較透徹，目前不少相關研究正在聚焦如何大量製備穩定的、優質的石墨烯。所以，利用石墨烯來研究非常規超導現象，可以有效加快科學家實現室溫超導的步伐。
現在，這支麻省理工團隊帶來了更多擴展性的 「魔角石墨烯」 研究。
圖丨 Pablo Jarillo-Herrero 實驗室此前製備的一個樣品，用於測試石墨烯的物理特性（來源：Jarillo-Herrero 實驗室）
在 5 月 6 日的最新文章中，第一篇成果「Tunable correlated states and spin polarized phases in twisted bilayer bilayer graphene」，曹原及其同事較為針對地探求了魔角石墨烯性質的可控性。
研究團隊採用了小角度扭曲的雙層 - 雙層石墨烯（TBBG）體系作為研究對象，並以此製作了雙柵極高遷移率的器件投入實驗，探求了扭轉角度、外加電位移場和磁場對其性質的影響。
從物理層面上來說，TBBG 由兩層未旋轉的伯納爾堆疊（Bernal-stacked）的雙層石墨烯組成，具有豐富的相圖，並具有可調的相關絕緣體狀態。實驗結果顯示，該體系對於扭轉角度、外加電位移場和磁場都較為敏感，出現了明顯的絕緣體控制開啟和阻斷的狀態。而這些實驗方法和結果或能在相似結構的二維材料上展開研究，並得出更多研究成果。
（來源：Nature）
而在第二篇文章「Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-anglegraphene」，團隊關注的是扭曲角的無序問題。
不同於前文，團隊採用魔角雙層石墨烯（MATBG）作為研究體系，他們從扭曲角的分布信息，使用納米級針尖掃描超導量子幹涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，繪製了局部θ變化圖。
在實驗中發現的扭曲角的無序是之前沒有識別的，並且能夠具有改變局部價帶結構以及產生局部電場的能力。而扭曲角的無序對於量子霍爾態的影響也意味著 MATBG 的其他相關狀態例如超導等，也可能因其發生轉化。因為扭轉角梯度產生的內部電場或能為光電或熱電應用方向的原子層級扭轉 - 範德瓦爾斯材料（atomically thin twisted van der Waals materials）提供研究指導方向。
圖 | 曹原（圖源：Corinna Kern for Nature）
兩項研究成果發布的今天，距離 Heike Kammerlingh Onnes 發現超導現象已經過去了 109 年，人們仍在探索低壓、高溫下實現材料超導性的方法並將其用於生活中，這個目標也是應用物理界的最重大的使命之一。
科學家已經發現許多可以表現出超導性的材料，但幾乎都離不開極低溫的環境來維持這種特性。「魔角石墨烯」中存在的神奇超導現象開闢了研究高溫超導的新可能。
這個新興領域現在也被稱為「轉角電子學」（twistronics）。Nature 曾以「How 『magic angle』 graphene is stirring up physics」 為題撰文報導過這股越刮越猛的 「扭一扭」 風潮，報導中，加州大學聖塔芭芭拉分校的凝聚態物理學家 Andrea Young 說：「每個人都在嘗試把自己最中意的材料疊放起來做旋轉」。與此同時，試圖解釋這種現象的理論物理學家也在 arXiv 預印本伺服器上先後發表了 100 多篇關於該主題的文章。該領域的每一次進展都讓人興奮不已，但正如俄亥俄州立大學物理學家 Chunning Jeanie Lau 所言，還需要更多的實驗以確定雙層石墨烯實現超導的機制，是否正是高溫超導體背後的同一機制。
那麼，如果最後實驗證明二者的機制不一樣，實驗的研究意義如何體現？
對於這個問題，曹原曾對 DeepTech 回復稱：「我們比較了旋轉雙層石墨烯的超導態中的轉變溫度和載流子濃度的關係，發現旋轉雙層石墨烯中的超導配對強度甚至比銅氧化物、重費密子等非常規超導體更大，更接近於 BEC-BCS 轉變線(和近年非常火熱的部分鐵基超導相近)。所以即使它的超導機理和銅氧化物不同，研究為什麼在看似如此簡單的石墨烯系統中會存在這樣強的超導配對也是在理論上非常有意思、獨特的。」
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