如何评价 MIT Pablo Jarillo-Herrero 研究组在石墨烯超晶格体系中发现超导？ 第1页

作为一作本人来回答一下吧。

两篇文章都已被Nature接受，正在准备刊发(3/5/2018现在)。题主给出在线版连接是先发版(Advanced Online)，还没有经过文本校对、排版、图稿统一格式等步骤，所以说后续还有可能有稍微的修改。

这两篇文章的物理内涵和重要性在之前几个回答中已经基本涵盖了，总结一下

1. 第一篇文章主要描述了在旋转双层石墨烯(Twisted Bilayer Graphene)在转角接近魔角(Magic angle, 正常条件下约为1.1°)时，能带结构会接近于一个零色散的能带(flat band)，从而可能导致在这个能带(实质上是两个，分别处在相对于石墨烯狄拉克点的负掺杂和正掺杂)被半填充的时候会经过一个金属-绝缘体转变变成一个莫特绝缘体(Mott Insulator)。在实验中我们以确凿的证据观测到了这个绝缘相，并分析了其对温度和磁场的响应[1]。这篇工作的主要意义在于提供了一种全新的、可调节的平台用来研究电子-电子的强关联效应。
2. 那么具体有什么有趣的强关联效应可以研究呢？最有名的强关联体系莫过于铜氧化物(cuprate)中的高温超导转变了。在改进了实验条件和仪器设备之后我们就发现了少量掺杂上文中提及的莫特绝缘体相就会发生超导相变，并且在多个样品中观察到了类似的现象。这就是第二篇文章的主要内容[2]。虽然超导转变温度大概在1 K (开尔文)左右并不算高，但是因为到石墨烯在前述条件下极低的载流子浓度（10^11 cm^-2)，其实这个转变温度是非常高的(铜氧化物的Tc~100 K，而等效二维载流子浓度是在10^14 cm^-2的量级上，高了不止两个数量级。为什么转变温度和载流子浓度一定要成正比？请参见[3]。简单的说，载流子浓度决定了超导转变温度的上限，而实际的转变温度距离这个上限越近就说明电子-电子关联更强，更接近于BCS-BEC转变)。这种超导转变和前些年在硫化钼(MoS2)、STO/LAO氧化物界面等二维体系中通过强掺杂产生的超导转变是完全不同的，后者可以在BCS理论的框架下得以解释(掺杂之后态密度(DOS)会增大，从而导致转变温度的指数增加)。所以我们推测，在旋转双层石墨烯中的超导转变很有可能与铜氧化物的超导机制有极大的相似性。如果有人问这项工作有什么实际应用，那短期内估计是没有的，但是本篇工作的主要意义在于提供了一个前所未有的体系以供物理学家研究困扰了30年之久的高温超导之惑。在一个相似但更加可调控的体系中研究高温超导问题也是冷原子方向近年来非常前沿的一个方向，虽然至今为止还没有成功用冷原子系统模拟出通过掺杂莫特绝缘相获得的超导相(莫特绝缘相已经在2017年被Harvard的Greiner实验室实现[4])。而从另外一个方面讲，仅用纯碳基的石墨烯来实现超导相也是人们期待已久的(因为石墨烯有各种奇特的性质比如高电导率、透光率、机械强度、稳定性等等，但是唯独超导至今尚未实现)，所以也算是这项工作的一个亮点之一。

其他回答里也提到了，后续的研究方向包括这种奇特的超导相的对称性(pairing symmetry)、赝能隙(pseudo gap)、向列相(nematic phase, 2018/03/08纠正)等等等等。我们希望后续研究能够提供更多信息关于什么是高温超导中必须的元素。

2018/03/08 添加

另外我想稍微纠正一下，我们的文章中并没有强调我们做出了“高温超导”，因为很显然1K的转变温度怎么样也谈不上高温。而只是说在旋转双层石墨烯中产生超导的机理很可能和传统的高温超导材料（铜氧化物以及近年的铁基超导）有一定的类似性。希望不要被部分媒体的报道所误导了。

感谢评论区指出对nematic phase翻译不当。

参考文献：

[1] Cao, Y., Fatemi, V., et. al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature (in press). DOI: 10.1038/nature26154

[2] Cao, Y., Fatemi, V., et. al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature (in press). DOI: 10.1038/nature26160

[3] Uemura, Y. J. Condensation, excitation, pairing, and superfluid density in high-Tc superconductors: the magnetic resonance mode as a roton analogue and a possible spin-mediated pairing . J. Phys. Condens. Matter 16, S4515 (2004).

[4] Mazurenko, A., Chiu, C. S., Ji, G., Parsons, M. F., Kanász-Nagy, M., Schmidt, R., Grusdt, F., Demler, E., Greif, D. & Greiner, M. A cold-atom Fermi-Hubbard antiferromagnet. Nature 545, 462-466 (2017).