7篇Nature,95后鬼才曹原早已感到“枯燥”,这次他发了第一篇Science
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2021-04-19 13:10
大数据文摘授权转载自AI科技评论作者 | 贝爽、青暮
论文地址：https://science.sciencemag.org/content/372/6539/264/tab-pdf新论文概要
在固体系统中，强相互作用的电子在基态往往表现出多重破坏的对称性。不同序参量之间的相互作用，可以产生丰富的相图。基于此，曹原及其导师Pablo Jarillo-Herrero等人发现了在魔角扭曲双层石墨烯(TBG)中，识别具有破碎旋转对称性的缠绕相。论文中介绍，使用横向电阻测量，我们发现一个强各向异性相位于超导圆顶的欠掺杂区域上方的“楔形区”中。越过超导圆顶，观察到临界温度降低，类似于某些铜酸盐超导体的行为。此外，超导状态表现出对与方向相关的面内磁场的各向异性响应，从而揭示了整个超导圆顶上的向列配对状态。实验结果表明，向列波动可能在魔角TBG的低温相中起重要作用，并为使用高度可调谐的莫尔超晶格研究量子材料中相互缠绕的相铺平了道路。
图注：魔角扭曲双层石墨烯(TBG)器件的表征与统计自发对称断裂是自然界中各个长度尺度上普遍存在的一个过程。在固态系统中，除了时间反演和规范对称性外，底层晶格还具有某些离散的对称性。但是，当系统中的多体电子与电子相互作用显着时，这些对称性可能会自发破坏，研究这些不对称状态是阐明多体系统各个阶段的基础。一个简单的例子是电子向列相，由于电子相关性，自发行为破坏了晶格的离散旋转对称性，同时保留了晶格平移和时间反演对称性。系统产生的各向异性依次体现在自旋，电荷和晶格自由度上，并且可以通过散射，传输和扫描探针实验进行测量。当相关系统具有多个破碎对称相时，它们之间的关系经常超越了单纯的竞争，产生了相互交织的复杂阶段。
图注：魔角TBG器件A的正态各向异性电荷序和超导性可以交织在一起，形成一对密度波状态。交织顺序的另一个例子是向列超导状态，它同时破坏了晶格旋转和晶格对称性。据报道，某些铁素化物和掺杂的Bi2Se3中存在向列配对状态。现有研究表明，二维（2D）石墨烯超晶格材料在真实空间中表现出远距离的莫尔条纹，可以通过扭曲角度进行调整。基于此，作者研究了魔角TBG中超导相与其他多体相之间的相互作用。与传统材料相比，魔角TBG的主要优势在于，它可以通过静电门控而不是化学掺杂来连续调整能带填充，从而可以在单个设备中访问不同的相。
在论文中，作者进一步研究了魔角TBG的相图，特别关注了超导相和正相中的各向异性。通过使用纵向和横向电阻率测量结果，揭示了低温下魔角TBG中的各向异性平面电传输。另外，他还揭示了各向异性的平面内临界场和超导临界电流对平面内磁场的各向异性响应。实验结果表明，尽管这两种状态的各向异性性质在不同的可观测值中都有体现，但魔角TBG可以自发地打破正态和超导相中的晶格旋转对称性，这表明这两种各向异性态的起源可能不同。
图注：魔角TBG中向列相超导性的证据曹原与Nature 7 连杀
年仅25岁的曹原出生于四川成都。2010年，14岁的他从深圳耀华实验学校考入蜚声中外的中国科学技术大学少年班学院，并入选“严济慈物理英才班”。 据了解，严济慈班每年仅招收30名左右学生，入选和考核机制十分严格。如在第4个学期结束时，如有必修课程不及格者，或者有两门以上（含两门）物理课程成绩低于70分者可能会被劝退。
据媒体报道，曹原用了三年的时间读完小学六年级、初中和高中的课程。高考总分为理科669分。2014年，曹原荣获中科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。该奖项是国家批准设立的新中国第一奖学金，也是首个个人冠名奖学金和中国科学技术大学本科生最高荣誉奖。与他一同入选的还有33名本科生。
2014年，曹原中科大毕业后，在导师的推荐下前往MIT攻读博士，并加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工学院的团队，该团队主要研究碳片层堆叠和旋转至不同角度后的形态。而他主要工作是考察在堆叠的双层石墨烯中，如果将其中一层相对另一层旋转极小的角度后会发生什么。
2018年曹原发现，当以魔角旋转时，两片石墨烯表现出非导电性能，类似于一种称为Mott绝缘体的奇特材料，他将这一成果发表后迅速登上了Nature。当时这篇关于原子厚度碳片层奇异行为的论文，在行业内引起了不小的震动。
论文：https://www.nature.com/articles/nature26154曹原在论文中表示：“我们已经料到这会对整个领域带来巨大影响。但更好的消息还在后面：只需稍微调整一下电场，扭曲的双层石墨烯就能在1.7K温度下成为一个超导体，让电子实现零电阻流动”。这个发现成就了另一篇Nature。
图注：魔角扭曲双层石墨烯（来源：MIT NEWS）
图注：当一层石墨烯晶格相对于第二层石墨烯晶格以“魔角”稍微旋转时形成的moiré图案。（来源：MIT NEWS）在接下来的几年内，曹原在该领域总共发表了7篇《Nature》文章。而他也因此入选为《Nature》影响世界的十大科学人物的95后科学家。下面AI科技评论将相关论文整理如下：2021年4月7日：
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03319-32021年3月31日：
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w2021年2月1日：
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-62020年6月11日：
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2373-y2020年5月6日
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-32018年3月5日：
论文地址：https://www.nature.com/articles/nature261602018年3月5日：
论文地址：https://www.nature.com/articles/nature26154
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