凝聚态物理大牛Kim Philip教授《Science》，魔角石墨烯再次登上《Science》！

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炙手可热的魔角石墨烯：三年来已发表science/Nature 10余篇

当两片单层石墨烯以1.1°左右的扭曲角度交错排列时，层状结构会变形为非常规的超导体，从而允许电流通过而不会产生电阻，浪费能量。这种魔角扭曲双层石墨烯及其超导效应由中科大少年班毕业生、当时年仅21岁的天才少年曹原和美国麻省理工学院（MIT）教授Pablo Jarillo-Herrero于2018年首次发现并提出。这项研究也让曹原“一战成名”：首次以共同第一作者和共同通讯作者的身份，以背靠背的形式在同一天发表了两篇《Nature》论文！

图1. 德州大学奥斯汀分校教授 Allan MacDonald 和博士后 Rafi Bistritzer 最早在理论上预言了“魔角石墨烯”

此后，魔角石墨烯成为了近年来国际前沿研究领域的最热方向之一，吸引到越来越多的物理学家投入到双分子层石墨烯神奇特性的研究之中，“魔角石墨烯”成为红极一时的全新方向，相关的成果接二连三地登上 Science、Nature 等顶级期刊。自2018年以来，至少已经有10+篇Science/Nature论文是关于魔角石墨烯。据了解，仅曹原一人，便发表了5篇《Nature》!

双层魔角石墨烯VS. 三层魔角石墨烯

一直以来，科学家们一直关注的是魔角扭曲双层石墨烯。直到2021年2月1日，曹原再次以共同第一作者和共同通讯作者身份发表了他的第五篇《Nature》，发现了三层魔角石墨烯不仅与双层魔角石墨烯一样都具备超导性能，并且电子结构和超导性能的可调控性能更强。

根据曹原等人的研究结果，在三层魔角石墨烯中，当中间一层相对于其他两层以一定的角度扭转时，其超导性比双层结构更稳定。那么，如果三层石墨烯依次以特定角度扭曲时，又会产生什么现象呢？

图2. 交替扭曲的三层魔角石墨烯。扭曲的石墨烯层中的超导性是由接近零能量的平坦带电子结构引起的。

哈佛科学家设计三层魔角石墨烯观察到更稳健的超导性

来自哈佛大学的一个研究团队给出了答案。

2021年3月12日凌晨，来自哈佛大学的凝聚态物理大牛Kim Philip教授团队再次在魔角石墨烯领域取得突破：使用三层堆叠并扭曲的石墨烯实现了超导。与曹原等人发现的三明治”石墨烯（仅旋转中层）不同，哈佛大学团队发现的三层扭曲石墨烯结构以“魔角”依次旋转了每层石墨烯。最终研究人员观察到了新的三层魔角石墨烯具有位移场可调谐的超导性，具有 2.1 开尔文的临界温度（约为 -271℃）。值得一提的是，与传统的超导材料不同，扭曲的石墨烯中的超导性不是由常规的弱耦合Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）电子对机理引起的，而是强烈依赖于电子的强耦合。

研究成果以“Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene”为题，发表在Science上，哈佛大学Kim Philip教授为文章的通讯作者，西交大校友郝泽宇为第一作者。

新“三明治”结构的三层魔角石墨烯及其超导特性

在该项工作中，研究人员成功地将三层石墨烯堆叠起来，然后以“魔角”依次扭动它们，合成了一种新的垂直镜对称性“三明治”结构。其中，平均扭曲角为~1.56°，为理论预测中形成平坦电子带的“魔角”。

图3. 三层魔角石墨烯的结构和性能。

接着，研究人员利用电极连接“三明治”结构的两端，并通过电流，同时测量材料中损失或散发的能量。研究发现，在该过程中并没有看到能量消散，这意味着它是超导体。这种新的“三明治”结构不仅具有超导性，还表现出比大多数双层堆叠的石墨烯更坚固，临界温度也更高。

图4. 三层魔角石墨烯的超导特性

接着，研究人员还探索了其与载流子密度和垂直位移场的关系。令研究人员无比兴奋的是，这种三明治魔角石墨烯的超导性是由于强电子之间的相互作用，而不是弱电子耦合。如果这是真的，这种依赖电子强耦合的机制不仅有助于打开研究高温超导的道路，未来还有望用于量子计算。

图5. 三层魔角石墨烯中电场调节的超导性。

此外，双层和交替扭曲的三层魔角石墨烯中超导性的存在以及其他平坦带系统中不存在超导性，这表明由接近零能量的平带结构对于超导性的出现很重要。

参考文献：

Hao et al., Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene. Science 371, 1133–1138 (2021). DOI: 10.1126/science.abg0399

名称：材料科学前沿

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