【再次登頂，第15篇nature&science】
近日，頂級學術期刊Nature再次上線了一篇有關於魔角石墨烯的論文，來自普林斯頓大學的Ali Yazdani研究團隊報導了一種基於密度調諧掃描隧道光譜學（density-tuned scanning tunneling spectroscopy）的技術，實現了對魔角石墨烯中Chern數C=±1，±2和±3的拓撲絕緣相的檢測。研究證明了在莫爾平帶系統中的強關聯可以產生相關的物質拓撲相，以題為「Strongly correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene」的論文於12月14日發表在Nature上，這已經是魔角石墨烯第15篇Nature&Science了，大有再次問鼎諾獎之勢。而這一切，都要從2018年3月說起。
【魔角石墨烯開創者，轉角電子學的開山鼻祖】
2018年3月，頂尖學術期刊《Nature》以背靠背的形式發表了麻省理工凝聚態物理學家Pablo Jarillo-Herrero課題組的兩篇論文，首次揭示了當將兩層石墨烯堆疊起來並旋轉~1.1°（「魔角」），就可以簡單實現從絕緣體到超導體的轉變，從實驗角度驗證了2011年德州大學奧斯汀分校的物理學教授 Allan MacDonald 和其博士後 Rafi Bistritzer在PNAS上發表的有關於「魔角石墨烯的」預言，開啟了非常規超導體研究的時代。當時，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」。正如Robert所言，從那之後，魔角石墨烯便一發不可收拾，接連登上《Nature》&《Science》，成為了國際前沿研究領域最熱門的話題。
Pablo Jarillo-Herrero教授
如今這個被稱為「轉角電子學」的新興領域吸引著每一個研究人員，嘗試把自己最中意的材料疊放起來做旋轉。與此同時，更多的研究人員也參與進來研究魔角石墨烯的非常規超導機制，是否與高溫超導的機制相同，或是對高溫超導起到極大的推動作用。而這一新興領域的開創者Pablo教授，也因此獲得了今年的沃爾夫物理學獎和巴克利獎。前者經常被認為是諾貝爾物理學獎以外，物理學界最重要的獎項之一。其中約有1/3的沃爾夫物理學獎得主榮獲得諾貝爾物理學獎。後者則是凝聚態物理界最高獎。中科院北京凝聚態物理國家研究中心的首席科學家丁洪認為Pablo很有可能在不久的將來就可以憑藉該領域的開創性工作獲得諾貝爾獎。畢竟，在Heike Kammerlingh Onnes發現超導現象的這109年裡，有關於超導現象的相關研究與理論已經獲得了四次諾貝爾物理學獎（1972年，超導微觀理論；1973年，半導體和超導體的隧道效應；1987年，陶瓷材料的超導性方面的突破；2003年，超導體和超流體理論做出的先驅性貢獻)。
【一路開掛的人生】
Pablo Jarillo-Herrero出生於西班牙的瓦倫西亞，1999年本科畢業於西班牙瓦倫西亞大學物理專業，2001年獲得了加州大學聖地牙哥分校碩士學位，之後轉戰荷蘭於2005年於獲得代爾夫特理工大學博士學位，在本校短暫繼續了一段博後之後，於2006年以Nano Research Initiative Fellow的身份加入當時還在哥倫比亞大學的超級大佬Philip Kim（兩篇石墨烯nature論文引用超萬次）課題組。2008年1月開始加入麻省理工學院先是擔任物理學助理教授，並於2018年成為正教授。截至目前，他獲得了包括2006年的西班牙皇家學會青年研究員獎，2008年的NSF職業獎，2009年的Alfred P. Sloan獎，2009年的David和Lucile Packard獎，2010年的IUPAP青年科學家半導體物理學獎 ，2011年的美國能源部早期職業獎，以及2020年凝聚態物理最高榮譽Buckley獎和2020年沃爾夫物理學獎等眾多獎項。
根據Google Scholar，Pablo在博士期間就以第一作者在Nature上發表了兩篇論文，截至今日，他一共發表了17篇Nature&Science論文，總被引次數高達27900多次，h因子為68。其中，有關於魔角石墨烯的文章共6篇，讓我們一起來看看吧。
1.Nature:魔角石墨烯超晶格中半填充時的相關絕緣體行為
第一作者：曹原
內容簡介：文章主要報導了堆疊雙層石墨烯的轉角接近魔角時（1.1°），能帶結構會接近於一個零色散的能帶，從而可能導致在這個能帶被半填充的時候會經過一個金屬-絕緣體轉變變成一個莫特絕緣體。研究人員以確鑿的證據觀測到了這個絕緣相，並分析了其對溫度和磁場的響應。這篇工作的主要意義在於提供了一種全新的、可調節的平臺用來研究電子-電子的強關聯效應。
魔角石墨烯的電子能帶結構
2、Nature:魔角石墨烯超晶格中的非常規超導特性
第一作者：曹原
內容簡介：當堆疊的雙層石墨烯的轉角接近魔角時（1.1°），堆疊的原子區域會形成窄電子能帶，電子的相互作用效應增強，從而產生非導電的莫特絕緣體相。在改進了實驗條件和儀器設備之後，研究人員發現莫特絕緣體相中摻雜少量電荷載流子，就會發生超導相變，並且在多個樣品中觀察到了類似的現象。該研究提供了一個前所未有的體系以供物理學家研究困擾了30年之久的高溫超導之惑。
石墨烯超晶格中的二維超導特性
3、Nature: 扭曲雙層石墨烯中的可調關聯態和自旋極化相
第一作者：曹原
內容簡介：本文研究了新的基於小角度扭轉的雙層-雙層石墨烯體系。該體系能夠調控石墨烯的相關絕緣體狀態，而且對扭轉角和電場位移場都高度敏感。該研究報導的相關態對磁場的響應，證明了自旋極化基態的存在，這是在之前的魔角石墨烯體系中所觀察不到的，該結果為進一步探索多平帶扭曲超晶格中扭曲角和電場控制的相關相態提供了新的思路。
扭曲雙層石墨烯的結構和輸運特性
4、Nature:魔角石墨烯的扭曲角無序與朗道能級圖
第一作者：A. Uri
內容簡介：本文主要關注的是扭轉角的分布信息。研究人員以六方氮化硼封裝的魔角雙層石墨烯為研究對象，使用納米級針尖掃描超導量子幹涉裝置獲得處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，並繪製了局部扭轉角的變化圖。結果表明，扭轉角的無序程度與魔角石墨烯的傳輸特性密切相關，這種因為扭曲角梯度而產生的內部電場可能為光電或是熱電應用領域的原子層級扭轉二維材料提供研究制定方向。
魔角石墨烯中平帶與色散帶全局和局部量子霍爾特徵對比
5、Nature:魔角石墨烯的級聯相變與狄拉克還原
第一作者：U. Zondiner
內容簡介：該研究發現魔角石墨烯的能帶在整數填充附近經歷了劇烈的轉變，相關聯的相起源於具有非常規能帶序列的高能態，在遠高於超導和絕緣態的轉變溫度下觀察到了相變和類狄拉克電子特徵。這項研究為揭示魔角石墨烯的超導和絕緣態之間相互作用關係提供了新的思路。
測試裝置及儀器表徵
6、Nature:莫爾異質結中的非常規鐵電性
第一作者：Zhiren Zheng
內容簡介：本文以六方氮化硼封裝的魔角雙層石墨烯為研究對象，通過使雙層石墨烯與頂部或底部的氮化硼晶體對齊並引入莫爾超晶格電勢之後，發現石墨烯電阻出現了明顯的鐵電行為。且位移場和電子填充的響應函數超出常規鐵電體的範圍。進一步研究表明，在雙層石墨烯-氮化硼莫爾異質結中，存在著一種非常規奇偶校驗電子排序。這項研究為原子級超薄、高速可編程的碳基存儲設備提供了新思路。
莫爾超晶格中莫爾勢上的手性費米子二次型
來源：高分子科學前沿
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