編輯推薦：25歲發表5篇Nature，其中兩次還是連發兩篇。

曹原，1996年出生。2010年考入中國科學技術大學少年班，併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，之後赴美國MIT攻讀博士學位。2018年12月18日，榮登《自然》2018年度影響世界的十大科學人物榜首。

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，《Nature》連發兩篇關於轉角石墨烯的重大成果，並配以評述。國內外學術界為之震動，開闢了凝聚態物理的新領域。

當無數的科學家正在重複其實驗時，曹原及其合作者於北京時間2020年5月7日在《Nature》再次連發兩篇關於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。

2021年2月1日，來自美國麻省理工學院的曹原以共同一作和第一通訊的身份在Nature發表最新成果，在魔角扭曲三層石墨烯發現了moiré超導體，且該體系在電子結構和超導效能方面的可調性，優於魔角扭曲雙層石墨烯。相關論文以題為“Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twistedtrilayer graphene”發表在Nature上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0

近些年來，Moiré超晶格因其出色的可調節性，已經成為研究相關物理和超導性的平臺。儘管在其他幾個moiré體系中，也觀察到了相關效應，但魔術角扭曲雙層石墨烯，仍然是唯一一種可重複測量到強超導性的Moiré體系。當兩層或兩層以上的二維(2D)材料堆疊在一起時，由於層間的小扭角或晶格失配，會產生一個電子頻寬降低的moiré超晶格。在這種平帶系統中，電子相互作用占主導地位，可獲得對各種相關和拓撲相的觀察。其中，魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)，因其引人入勝的超導相，而引起了特別的關注。雖然超導的特徵在其他系統中也有報道，但直到目前為止，超導性的決定性證據——包括觀察到的零電阻、尖銳的開關電壓-電流(V-I)特性和約瑟夫森相位相干性—僅在MATBG中得到了重複的證明。

在這裡，研究者報告了在一個由三個相鄰的石墨烯層依次被θ和−θ扭曲的魔角系統中，實現了超強耦合超導性(圖1a)。研究者認為在Tc/TF≳0.1處存在強耦合，其中Tc為臨界溫度，TF = πħn*/(m*kB)為費米溫度(kB,Boltzmann常數；ħ，約化普朗克常數；m*，測量有效質量)。研究者測量霍爾效應和量子振盪作為密度和電場的函式，使德研究者能夠確定系統在正常金屬狀態下的可調相位邊界。零磁場電阻率測量表明，超導性的存在與每個moiré單胞中兩個載流子產生的破缺對稱性相位密切相關。

與此同時，研究者發現超導相位被抑制，並侷限於部分圍繞破缺對稱性相位的範霍夫奇點，這是與弱耦合的Barden-Cooper-Schrieffer理論難以調和的。此外，該系統廣泛的原位可調性，使得其能夠達到超強耦合狀態，其特徵是Ginzburg-Landau相干長度達到平均粒子間距離，以及非常大的TBKT/TF值，超過0.1(其中TBKT和TF分別是Berezinskii-Kosterlitz-Thouless轉變溫度和費米溫度)。以上研究表明，MATTG可以在接近二維玻色-愛因斯坦凝聚體的交叉處，進行電學調諧。

圖1 映象對稱MATTG中的電子結構與強超導性。

圖2 MATTG相圖。

圖3 超強耦合超導性與鄰近BCS-BEC交叉點。

圖4 超導電性與從|ν| = 2相位出現的載流子之間的聯絡。

為了進一步瞭解MATTG超導相圖，研究者分析了涉及超導的載流子型別。圖4a, b分別顯示了，大位移場和小位移場在−4 < ν < 0範圍內的量子振盪測量。圖4f, g圖中顯示了電子的相應資料，即0 < ν < +4範圍。在小的D(包括0)，在|ν| = 2處有一個‘reset’，這表現為一個由|ν| = 2起源的向外(遠離ν =0)的朗道扇形圖(圖4b, g)。這些扇形圖在ν|附近結束，在這裡新的外向扇形圖開始，與那裡發生的“reset”一致(圖2b, c)，這表明到不同的破缺對稱相基態的相變。在這些小的D值中，超導性被限制在|ν| =2和|ν| = 3之間的區域(圖2a-c)，如圖4e所示。

綜上所述，研究者的實驗指向了一種強耦合超導機制，這種機制與ν =±2的基態密切相關，最大Tc值主要由載流子密度決定，而不是由DOS的精確結構決定。同時，注意到VHS的存在，會影響破缺對稱性相位下的相變。這些觀測結果表明，研究者應考慮moiré超導體超強耦合強度理論模型的發展。尤其值得注意的是，應確定是什麼使MATBG和MATTG成為堅固的超導體。一種可能性是它們都有一定的對稱性，特別是近似的C2對稱性。有趣的是，這種對稱性在其他基於石墨烯的moiré系統中並不存在。該研究表明，未來對其他C2-對稱的moiré系統的研究，應確定這種對稱性對於moiré平帶強耦合超導的形成，是否必不可少。（文：水生）