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？
MIT Pablo JarilloHerrero 研究组在石墨烯超晶格体系中发现超导：一场划时代的物理学突破
MIT 物理系的 Pablo JarilloHerrero 教授领导的研究团队，在石墨烯双层体系中发现超导现象，无疑是近年来凝聚态物理领域最令人振奋的进展之一。这一发现不仅为理解超导这一复杂量子现象提供了全新的平台，更极大地拓展了我们对材料科学和量子工程的想象空间。要评价这项工作，我们需要深入剖析其发现的意义、技术难度以及未来可能带来的深远影响。
发现的里程碑意义：
1. “魔角”的物理学： 这一发现的核心在于“魔角”扭转双层石墨烯（tBLG）。简单来说，当两层石墨烯以一个特定的角度（大约 1.1 度，即所谓的“魔角”）堆叠在一起时，它们的电子结构会发生剧烈的重组。在魔角附近，电子的动能几乎被“冻结”了，使得电子电子之间的相互作用变得异常显著。这种“弱动量”或“低动量”的电子态，为理解强关联物理现象打开了新的窗口。
2. 超导的“干净”平台： 传统的超导材料，如铜氧化物或铁基超导体，其晶体结构和电子组分复杂，使得精确调控电子行为并深入理解其内在机制变得十分困难。而石墨烯双层体系则是一个高度可调的“模型系统”。通过改变扭转角度、施加电场或压力，研究人员可以精确地调控电子的浓度、能带结构以及电子间的相互作用强度。这使得科学家们能够以前所未有的精度来“操纵”材料的性质，并直接检验各种超导理论。
3. 打破常规的超导机制： 传统上，超导性被认为是电子声子相互作用（BCS理论）的结果，即电子通过晶格振动（声子）相互吸引而形成库珀对。然而，在魔角扭转双层石墨烯中观测到的超导性，其行为与传统的BCS超导性有显著差异。研究表明，电子电子相互作用在其中扮演了更为核心的角色，这暗示着可能存在着非BCS机制的超导，例如“电子电子配对”或者与电子的局域化行为相关。这为寻找和设计新型超导体提供了新的理论方向。
4. 多重量子相的共存： 除了超导性，JarilloHerrero 团队还观察到，在魔角扭转双层石墨烯中，随着载流子浓度的变化，材料会经历一系列有趣的量子相变，包括绝缘相、奇异金属相（strange metal）和各种磁有序相。这些量子相的共存，特别是超导相与奇异金属相的邻近，是凝聚态物理中最令人着迷的未解之谜之一。在这个系统中，我们可以直接研究这些相之间的相互作用和竞争关系，这对于理解更广泛的量子物质现象具有重要意义。
技术实现的挑战与精湛工艺：
要实现并观测到如此精细的量子现象，其背后的技术挑战是巨大的：
1. 超高精度堆叠： 制备出具有精确扭转角度的石墨烯双层样品，对实验技术提出了极高的要求。这涉及到从单原子层石墨烯的剥离、转移到精确的旋转和对齐，每一步都需要极高的稳定性和控制精度。任何微小的误差都可能导致电子结构的巨大偏差，从而掩盖了魔角效应。
2. 极端低温与磁场环境： 超导现象通常只在极低的温度下才能显现，需要复杂的制冷设备（如稀释制冷机）来达到毫开尔文（mK）的级别。同时，为了精确测量材料的电学性质，还需要精确控制和测量外加磁场。
3. 高分辨率输运测量： 测量电阻、霍尔效应等输运性质，需要极其灵敏的测量仪器和精密的电极设计。信号往往非常微弱，很容易受到噪声的干扰。
4. 多参数调控： 实验中同时需要调控载流子浓度（通过栅极电压）和温度，以探测不同条件下的量子相变。这种多参数的精密控制，使得实验数据的采集和分析变得复杂而精密。
研究的深远影响：
JarilloHerrero 团队的发现，其影响远远超出了基础物理研究的范畴：
1. 推动量子计算发展： 石墨烯的电子学特性使其成为构建量子比特的潜在候选材料。对石墨烯中超导性的深入理解，可能为设计和实现更稳定、更高效的超导量子比特提供新的思路。
2. 设计新型功能材料： 这一发现揭示了通过精确控制材料的微观结构，可以解锁出前所未有的量子性能。这鼓励科学家们继续探索类似的“设计性”材料，以期发现具有新奇功能的电子、磁性或光学材料。
3. 革新理论研究范式： 魔角扭转双层石墨烯成为了检验和发展量子场论、固体物理学理论的“试金石”。它促使物理学家们重新审视和完善对强关联系统、拓扑物质以及高温超导等难题的理解。
4. 促进跨学科合作： 这一领域的研究吸引了凝聚态物理、材料科学、量子化学、甚至工程学等多个学科的顶尖人才。这种跨学科的融合，是解决复杂科学问题的关键驱动力。
总结：
MIT Pablo JarilloHerrero 研究组在石墨烯超晶格体系中发现超导，是一项集创新性、技术难度和理论意义于一体的伟大成就。它不仅为我们描绘了一幅令人惊叹的量子物质世界图景，更开启了通往未来量子科技和新材料科学的崭新篇章。这项工作展示了严谨的科学探索精神、精湛的实验技术以及对前沿问题的深刻洞察力，是凝聚态物理学领域的一座里程碑，其影响力将持续深远。
MIT 物理系的 Pablo JarilloHerrero 教授领导的研究团队，在石墨烯双层体系中发现超导现象，无疑是近年来凝聚态物理领域最令人振奋的进展之一。这一发现不仅为理解超导这一复杂量子现象提供了全新的平台，更极大地拓展了我们对材料科学和量子工程的想象空间。要评价这项工作，我们需要深入剖析其发现的意义、技术难度以及未来可能带来的深远影响。
发现的里程碑意义：
1. “魔角”的物理学： 这一发现的核心在于“魔角”扭转双层石墨烯（tBLG）。简单来说，当两层石墨烯以一个特定的角度（大约 1.1 度，即所谓的“魔角”）堆叠在一起时，它们的电子结构会发生剧烈的重组。在魔角附近，电子的动能几乎被“冻结”了，使得电子电子之间的相互作用变得异常显著。这种“弱动量”或“低动量”的电子态，为理解强关联物理现象打开了新的窗口。
2. 超导的“干净”平台： 传统的超导材料，如铜氧化物或铁基超导体，其晶体结构和电子组分复杂，使得精确调控电子行为并深入理解其内在机制变得十分困难。而石墨烯双层体系则是一个高度可调的“模型系统”。通过改变扭转角度、施加电场或压力，研究人员可以精确地调控电子的浓度、能带结构以及电子间的相互作用强度。这使得科学家们能够以前所未有的精度来“操纵”材料的性质，并直接检验各种超导理论。
3. 打破常规的超导机制： 传统上，超导性被认为是电子声子相互作用（BCS理论）的结果，即电子通过晶格振动（声子）相互吸引而形成库珀对。然而，在魔角扭转双层石墨烯中观测到的超导性，其行为与传统的BCS超导性有显著差异。研究表明，电子电子相互作用在其中扮演了更为核心的角色，这暗示着可能存在着非BCS机制的超导，例如“电子电子配对”或者与电子的局域化行为相关。这为寻找和设计新型超导体提供了新的理论方向。
4. 多重量子相的共存： 除了超导性，JarilloHerrero 团队还观察到，在魔角扭转双层石墨烯中，随着载流子浓度的变化，材料会经历一系列有趣的量子相变，包括绝缘相、奇异金属相（strange metal）和各种磁有序相。这些量子相的共存，特别是超导相与奇异金属相的邻近，是凝聚态物理中最令人着迷的未解之谜之一。在这个系统中，我们可以直接研究这些相之间的相互作用和竞争关系，这对于理解更广泛的量子物质现象具有重要意义。
技术实现的挑战与精湛工艺：
要实现并观测到如此精细的量子现象，其背后的技术挑战是巨大的：
1. 超高精度堆叠： 制备出具有精确扭转角度的石墨烯双层样品，对实验技术提出了极高的要求。这涉及到从单原子层石墨烯的剥离、转移到精确的旋转和对齐，每一步都需要极高的稳定性和控制精度。任何微小的误差都可能导致电子结构的巨大偏差，从而掩盖了魔角效应。
2. 极端低温与磁场环境： 超导现象通常只在极低的温度下才能显现，需要复杂的制冷设备（如稀释制冷机）来达到毫开尔文（mK）的级别。同时，为了精确测量材料的电学性质，还需要精确控制和测量外加磁场。
3. 高分辨率输运测量： 测量电阻、霍尔效应等输运性质，需要极其灵敏的测量仪器和精密的电极设计。信号往往非常微弱，很容易受到噪声的干扰。
4. 多参数调控： 实验中同时需要调控载流子浓度（通过栅极电压）和温度，以探测不同条件下的量子相变。这种多参数的精密控制，使得实验数据的采集和分析变得复杂而精密。
研究的深远影响：
JarilloHerrero 团队的发现，其影响远远超出了基础物理研究的范畴：
1. 推动量子计算发展： 石墨烯的电子学特性使其成为构建量子比特的潜在候选材料。对石墨烯中超导性的深入理解，可能为设计和实现更稳定、更高效的超导量子比特提供新的思路。
2. 设计新型功能材料： 这一发现揭示了通过精确控制材料的微观结构，可以解锁出前所未有的量子性能。这鼓励科学家们继续探索类似的“设计性”材料，以期发现具有新奇功能的电子、磁性或光学材料。
3. 革新理论研究范式： 魔角扭转双层石墨烯成为了检验和发展量子场论、固体物理学理论的“试金石”。它促使物理学家们重新审视和完善对强关联系统、拓扑物质以及高温超导等难题的理解。
4. 促进跨学科合作： 这一领域的研究吸引了凝聚态物理、材料科学、量子化学、甚至工程学等多个学科的顶尖人才。这种跨学科的融合，是解决复杂科学问题的关键驱动力。
总结：
MIT Pablo JarilloHerrero 研究组在石墨烯超晶格体系中发现超导，是一项集创新性、技术难度和理论意义于一体的伟大成就。它不仅为我们描绘了一幅令人惊叹的量子物质世界图景，更开启了通往未来量子科技和新材料科学的崭新篇章。这项工作展示了严谨的科学探索精神、精湛的实验技术以及对前沿问题的深刻洞察力，是凝聚态物理学领域的一座里程碑，其影响力将持续深远。
网友意见
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
- 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。
- 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).
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