wei編輯推薦：25歲發表6篇Nature！其中兩次還是連發兩篇。今天發表的這篇是共同一作兼通訊作者。

曹原，1996年出生。2010年考入中國科學技術大學少年班，并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，之后赴美國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》連發兩篇關于轉角石墨烯的重大成果，并配以評述。國內外學術界為之震動，開辟了凝聚態物理的新領域。

當無數的科學家正在重復其實驗時，曹原及其合作者于北京時間2020年5月7日在《Nature》再次連發兩篇關于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性能方面的可調性，優于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。

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

2021年4月1日，來自美國麻省理工學院的曹原（通訊兼第一作者）&Pablo Jarillo-Herrero等研究者，使用同時的熱力學和輸運測量，研究了魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的破缺對稱性的多體基態及其非平凡拓撲結構。相關論文以題為“Flavour Hund's coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene”發表在Nature上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w

相互作用驅動的自發對稱性破缺，是物質許多量子相的核心。在moiré系統中，在平坦帶中破缺的旋轉/山谷“味”對稱構成了父態，相關基態和拓撲基態，最終由此產生。然而，這種對稱性破壞的微觀機制，及其與低溫階段的聯系還不清楚。

在具有平坦電子帶的凝聚態系統中，電子間的庫侖相互作用，很容易超過它們的動能，從而產生各種奇異的量子相，包括莫特絕緣子、量子自旋液體和維格納晶體等。在這種強關聯狀態下，電子可能會自發地以增加其動能為代價，使總庫侖能最小，從而打破某些對稱性。這種不對稱狀態，可以發生在相對較高的能量尺度，并作為出現在較低能量尺度相的母態，例如超導性。此外，當系統中存在非平凡的拓撲結構時，強關聯性和底層拓撲結構之間的相互作用，可能會形成新的物質相。了解這種相互作用背后的物理原理，可以指導人們，設計下一代強關聯拓撲量子材料。

MATBG作為一個獨特的平臺，可用于研究高度可調諧的平帶系統中的交互-驅動現象。當兩層單層石墨烯（MLG）以小扭角θ≈1.1°堆疊時，產生的moiré超晶格中的層間雜化，使費米速度重新正規化，并在低能量下產生平帶。在這種情況下，實驗證明了許多奇異的相關和拓撲現象，包括相關絕緣子態、超導和量子反常霍爾效應。掃描隧穿和單電子晶體管實驗，直接證明了庫侖誘導相變打破自旋/谷對稱性的重要性。盡管在實驗和理論上取得了重大進展，但破缺對稱性狀態的微觀結構，及其與相關相位和超導性的可能聯系，仍需進一步研究。

本文中，研究者通過直接測量MATBG多體基態的綜合熱力學和輸運性質，研究了相互作用驅動的對稱破缺和非平凡拓撲之間的相互作用。研究者采用六方氮化硼的超薄層，將MATBG與MLG層分離（hBN；約1納米厚；圖1a）。研究者利用頂柵電壓Vtg和背柵電壓Vbg，來控制多層膜和多層膜的密度，同時測量兩層膜的輸運特性。單層化學勢μ的直接探測，是通過感應另一層柵極的電場屏蔽來實現的（圖1b）。特別地，當一層位于電荷中性點（CNP）時，例如nMLG= 0，其中nMLG為MLG的載流子密度，另一層的化學勢為，其中Ctg和Ci分別為hBN頂部和中間介質單位面積的幾何電容，e為電子電荷。

圖1 化學勢測量的器件結構及演示。

在此，研究者直接觀察到這種對稱性的打破，作為在所有整數填充moiré超晶格的化學勢的固定，證明了Hund耦合在多體基態的重要性。在打破時間反演對稱時，表現出底層平帶的拓撲性質，研究者測量了分別在填充因子為1、2、3時Chern數為3、2、1的Chern絕緣子態對應的能隙，這和MATBG的霍夫斯塔特蝴蝶譜的不對稱性相一致。此外，同時測量電阻率和化學勢提供了，奇異金屬狀態下MATBG隨溫度變化的電荷擴散率，這個量以前只在超冷原子中研究過。

圖2 MATBG的化學勢與溫度和面內磁場的關系。

圖3 垂直磁場中MATBG的相關Chern間隙的探測。

圖4 奇異金屬狀態下MATBG的電阻率、電子壓縮系數和擴散系數。

綜上所述，該研究結果有助于人類無論在有無磁場下，更接近于理解MATBG拓撲帶相互作用的統一框架。