今年最火课题之一！魔角石墨烯三个月内第5篇《Nature》

在2018年，麻省理工Pablo Jarillo-Herrero课题组将两片石墨烯堆叠起来并旋转~1.1°，于是发现了石墨烯新的电子态，可以简单实现从绝缘体到超导体的转变，开启了非常规超导体研究的时代。这一轰动性的发现由中国少年曹原作为第一作者背靠背发表了两篇《Nature》，而那神奇的1.1°也被命名为“magic-angle”，即所谓的“魔角”。

从此之后，魔角石墨烯便一发不可收拾，接连登上《Nature》&《Science》，成为了国际前沿研究领域最热门的话题。而在今年7月，魔角石墨烯的研究又取得了突破性的进展，相关研究发表在《Nature》上。这是魔角石墨烯近三个月内的第5篇《Nature》，当之无愧地成为今年最热门的研究之一！

【今年成果回顾】

连发两篇《Nature》似乎成了魔角石墨烯的标签。就在今年五月，Pablo Jarillo-Herrero课题组再次背靠背连发两篇《Nature》，其中一篇，曹原是第一作者兼共同通讯作者；另一篇中，曹原为共同第一作者，曹原一人贡献两篇，累计4篇。

第一篇论文研究了新的基于小角度扭转的双层-双层石墨烯体系。该体系能够调控石墨烯的相关绝缘体状态，而且对扭转角和电场位移场都高度敏感。该研究报道的相关态对磁场的响应，证明了自旋极化基态的存在，这是在之前的魔角石墨烯体系中所观察不到的，该结果为进一步探索多平带扭曲超晶格中扭曲角和电场控制的相关相态提供了新的思路。

第二篇论文研究了扭转角的分布信息，以六方氮化硼封装的魔角石墨烯为研究对象，使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像，并绘制了局部扭转角的变化图。结果表明，扭转角的无序程度与魔角石墨烯的传输特性密切相关，推动了相关物理现象的解释以及应用的发展。

又在今年六月，魔角石墨烯又又又一次《Nature》二连，其中一篇由以色列科学家S. Ilani与Pablo Jarillo-Herrero联手发表，即今年魔角石墨烯的第三篇《Nature》。该研究发现魔角石墨烯的能带在整数填充附近经历了剧烈的转变，相关联的相起源于具有非常规能带序列的高能态，在远高于超导和绝缘态的转变温度下观察到了相变和类狄拉克电子特征。这项研究为揭示魔角石墨烯的超导和绝缘态之间相互作用关系提供了新的思路。

今年第四篇《Nature》由普林斯顿大学Ali Yazdani课题组发表在该月同一天，研究团队通过高分辨率扫描隧道显微镜观测魔角石墨烯的谱学性质随电子填充函数的变化，最终发现在低温下魔角石墨烯中会出现各种绝缘和超导基态相。该研究是对魔角石墨烯高温超导的进一步探索，为高温超导的实现开辟了新的道路。

【超导还是绝缘？】

魔角石墨烯之所以被称为“magic”，是因为在这特定的角度下，石墨烯就像被施了魔法，它可以表现得像一个绝缘体，没有电流可以通过，同时也可以表现得像一个超导体，电流可以零阻力地流动。然而到目前为止，学者们还没有提出合适的理论能够完全在微观上解释魔角石墨烯的这种特性，这也引发了许多研究来试图揭示这种材料各种现象背后的物理学原理，并可能导致超导研究的重大突破。因此，理解超导相和绝缘相之间的关系具有重要意义，是当前魔角石墨烯研究的焦点和挑战。

近日，巴塞罗那科学技术学院Dmitri K. Efetov等深入研究了这一独特的物理现象，并报道了对这种扭转双层石墨烯中的电子相互作用的调控，为上述现象找到了可能的解释。该研究以题为“Untying the insulating and superconducting orders in magic-anglegraphene”的论文发表在了《Nature》上，这是魔角石墨烯三个月内的第5篇《Nature》！

图1 屏蔽控制的魔角石墨烯相图用于调整扭转角

【超导/绝缘关系的新理解】

通常在魔角下，双层石墨烯会形成绝缘态。作者在改变石墨烯扭转角的过程中（略微偏离±0.05°），通过调节石墨烯和金属屏蔽层之间的距离来控制电子的速度和相互作用能量，允许它们自由移动，从而将绝缘相变成超导相。该研究进一步发现通过改变不同器件配置中的电压，超导相能够保持，而相关的绝缘相消失。魔角石墨烯中超导相的反常特征产生了超低的载流子浓度，暗示了电子-声子之间相互作用的原理，而半填充的绝缘相能在外加0.4T的磁场作用下重新产生揭示了在这种系统中的强相互作用。这一结果表明，绝缘相和超导相实际上并不是共生关系，而是竞争关系。

图2超导和绝缘相对温度和密度的依赖性

图3 小平面外磁场中的Chern绝缘子的形成

总结：魔角石墨烯超导和绝缘态的微观机理研究一直是国际前沿研究的焦点和挑战，作者的这项工作为揭示双层魔角石墨烯中的绝缘态和超导态之间错综复杂的关系提供了借鉴意义，加深了对这种相进行控制的其中微观机制的理解，并为理解具备强相互作用的超导体系提供了新的方案。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2459-6