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石墨烯超晶格的“魔角”物理:强关联电子及超导性

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报告题目   石墨烯超晶格的“魔角”物理:强关联电子及超导性
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报告摘要:
  铜氧化物和铁基超导等强关联电子体系是当今凝聚态物理中最重要的研究课题之一。然而虽然时经几十年的研究,电子关联如何产生高温超导性的物理机制仍然尚未被完全理解。在此基础上,物理学家也尝试通过包括冷原子在内的方法探究晶格系统中的多体物理。在最近的实验中,我们发现了一种新型二维强关联电子体系——“魔角”石墨烯超晶格界面。这种材料由两层石墨烯构成,层间晶向保持一个特殊的角度,即理论预测约1.1度的“魔角”。魔角旋转双层石墨烯(MATBG)的电子能带结构在电中性点附近呈现非常扁平的能带,使得电子与电子的库伦相互作用可以超过电子在晶格中运动的动能,进而使强关联作用变得非常明显。通过调节栅压,费米能量可以非常容易地被调控到这些扁平能带中。在实验上当超晶格能带被半填充时,MATBG呈现一种与莫特绝缘体类似的强关联绝缘态。通过进一步微调栅压来“掺杂”这个半填充绝缘态,我们发现了临界温度约2K的超导态,与铜氧化物等材料中的高温超导非常类似。这是首次在纯碳基二维系统中发现超导性,也是迄今为止发现的电子浓度最低的二维超导系统。通过对比临界温度和量子振荡测得的载流子浓度,我们认为MATBG中超导配对强度堪比甚至超过了铜氧化物及部分铁基超导,进一步印证了超导性是电子强关联作用的结果。这些发现使得我们能够以一种全新的方式研究强关联电子体系和超导性的相互关系,有望给室温超导的研究提供一个崭新的视角,同时也给实现量子自旋液体等奇特量子态提供了一条新的道路。

参考文献:
[1] R. Bistritzer et. al.PNAS 108, 12233-12237 (2011).
[2] Y. Cao et al., Nature 556, 80-84 (2018)
[3] Y. Cao et al., Nature 556, 43-50 (2018)
报告人简介:
  曹原,现在在麻省理工学院(MIT)攻读电子工程PhD学位。2014年本科毕业于中国科学技术大学少年班,毕业时年仅18岁并荣获该校毕业生的最高荣誉——郭沫若奖学金。在MIT主要从事凝聚态方向石墨烯相关的前沿物理学研究。于2018年在国际权威杂志Nature上连续以一作身份刊登了两篇论文(其中一篇为长文),报道了旋转双层石墨烯中首次发现的强关联绝缘相以及超导相变。该文在刊登后立即在整个物理学界引起了巨大的反响,因为所观察到的超导相和高温超导相的类似性可能可以给已停滞多年的高温超导研究带来一些新的突破。这项工作已受到国内外几十家媒体的报道,短短半年内获得总计近400次引用,并由宾夕法尼亚大学的著名教授E. Mele攥写了评述发布在Nature News and Views。2018年荣获“全美十大华人杰出青年“称号,并上榜中国福布斯“30位30岁以下精英榜”。
 

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