《Nature》：曹原再获重大突破，发现扭曲三层石墨烯中的超导性
虽然石墨烯不是一种金属，但其超高的导电率比大多数金属都要好。2018年，曹原和麻省理工巴勃罗·贾里洛-赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）领导的研究团队发现：当两张石墨烯以略有偏移的“魔角”角度堆叠在一起时，这种新的“扭曲”双层石墨烯结构既可以成为绝缘体完全阻止电流通过材料，也可以成为超导体能够让电子毫无电阻地流过。
从那时起，科学家们在这个新兴的“扭曲电子学”（twistronics）领域中，寻找可以类似地扭曲成超导性的其它材料。在很大程度上，到目前为止，除了原始的扭曲双层石墨烯以外，没有其他任何扭曲材料具有超导性。
现在，曹原和贾里洛-赫雷罗再度合作又一次获得重大突破，在扭曲的三层石墨烯片，称为“nanosandwich”（纳米三明治）中观察到超导性，其中三层石墨烯片的中层相对于外层以新角度扭曲，这种新的三层结构具有比其双层结构更坚固的超导性。该研究结果论文发表在今天的《自然》杂志上，曹原和贾里洛-赫雷罗同为论文通讯作者。论文合著者包括麻省理工学院研究员朴正敏，以及日本国立材料科学研究所的渡边贤司和谷口隆史。
研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调整结构的超导性。通过调整三层结构，研究人员能够产生超强耦合超导性，这是一种奇特的电学行为，在任何其他材料中都很少见。贾里洛-赫雷罗说：“目前尚不清楚魔角双层石墨烯是否是一种例外，但现在我们知道它并不孤单；它在三层壳中有一个表亲。” “这种超可调超导体的发现将反旋领域扩展到了全新的方向，在量子信息和传感技术中具有潜在的应用。”
一个新的超级家庭
在该研究团队发现扭曲的双层石墨烯中产生超导电性之后不久，科学家提出，在三层或更多层石墨烯中可能会看到相同的现象。一片石墨烯是一层原子薄的石墨层，完全由排列成蜂窝状晶格的碳原子组成。科学家提出，如果将三层石墨烯像三明治一样堆叠，中间层相对于外层旋转1.56度，则扭曲的构型将产生一种对称性，从而促使材料中的电子配对并形成无阻力的流动-超导的标志。研究团队通过莫尔超晶格这个平台，在此平台上以前所未有的可调谐性研究相关的物理学和超导。尽管在其它几种莫尔条纹系统中也观察到了相关的影响，魔角扭曲双层石墨烯仍然是唯一可重复测量出坚固的超导性的系统。
现在实现了魔角扭曲三层石墨烯中的莫尔条纹超导体，它的电子结构和超导性能的可调谐性比魔角扭曲双层石墨烯更好。霍尔效应和量子振荡作为密度和电场的函数的测量使研究人员能够确定正常金属状态下系统的可调相界。零磁场电阻率测量结果表明，超导电性的存在与每个莫尔晶胞中两个载流子出现的对称对称相紧密相关。该研究结果建立了可调谐的莫尔条纹超导体系列，它们有可能彻底改变我们对强耦合超导性的基本理解和应用。
参考：Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene,Nature(2021).DOI:10.1038/s41586-021-03192-0,www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0
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