30多歲，發表12篇Nature、Science，終於晉升為教授！

「來源： ｜學之策 ID：luanzhurenjian」

提起魔角石墨烯，不得不提的中科大少年班畢業生

曹原

、

周昊欣

及其導師麻省理工學院

Pablo Jarillo-Herrero

。

2018年3，頂級學術期刊Nature以背靠背形式線上發表了曹原及其導師Pablo Jarillo-Herrero等人關於石墨烯超導的兩篇重磅文章。文章首次揭示了只要將兩層石墨烯旋轉到特定的 “魔法角度”（~1。1°）相互疊加，就可以簡單實現從絕緣體到超導體的轉變。這兩篇開山之作不僅開啟了非常規超導體研究的時代，也使“魔角”石墨烯迅速風靡全球。自此以後，魔角石墨烯便一發不可收拾，接連登上Nature、Science，成為了國際前沿研究領域最熱門的話題。

除了曹原所在的Pablo Jarillo-Herrero教授課題組，在被譽為“公立常春藤”的

加州大學聖巴巴拉分校Andrea F. Young課題組

也是石墨烯領域當前最活躍的課題組之一。2021年9月1日，加州大學聖巴巴拉分校Andrea F。 Young課題組連續在Nature背靠背發表2篇論文，報道了他們在在晶體菱形三層石墨烯（一種結構上亞穩態的碳同素異形體）中，在亞開爾文溫度下表現為低電阻率或消失電阻率的超導觀察。

這兩篇文章從Received到Accepted前後最多不超過兩個月，並且最終都直接以「手稿」形式釋出的，重要性可見一斑。

值得一提的是，

這位青年教師現在也就30多歲，雖然年紀不大，是UCSB的助理教授，但是在石墨烯前沿領域名氣卻不小，

已經以第一作者或通訊作者身份在Nature、Science發表12篇論文！

Andrea F。 Young教授

【一路開掛的人生】

Andrea F。 Young教授於2006年本科畢業於哥倫比亞大學物理系，隨後以助教和助理研究員身份加入當時還在哥倫比亞大學的石墨烯領域超級大佬Philip Kim課題組，並進一步攻讀博士學位。2012年2月，Andrea F。 Young獲得哥倫比亞大學博士學位，博士研究的課題是“石墨烯異質結構中的量子傳輸（Quantum transport in graphene heterostructures）”。2012年1月到2014年12月，Andrea F。 Young以Pappalardo Fellow身份加入麻省理工學院實驗凝聚態物理Pablo Jarillo-Herrero教授課題組。隨後，Andrea F。 Young又以“訪問科學家（Visiting Scientist）”的身份前往以色列魏茨曼科學研究所凝聚態物理系交流訪問。2015年3月，Andrea F。 Young加盟加州大學聖巴巴拉分校（UCSB），擔任UCSB物理系助理教授。

截至目前，Andrea F。 Young教授獲得了包括2011年哥倫比亞大學物理系的弗朗西斯和查爾斯湯斯獎，2016年伊利諾伊大學物理系威廉麥克米蘭獎和帕卡德獎學金，2017年的斯隆研究獎學金（Sloan Research Fellowships），以及

被譽為“科學界的奧斯卡獎”的新視野獎

等眾多獎項。

Google-scholar顯示， Andrea F。 Young博士期間就以第一作者身份發表了兩篇Nature Physics和一篇Phys。 Rev。 B；隨後，在MIT兩年博士後期間，先後以共同作者和第一作者身份在Science和Nature上發表論文；獨立工作後，Andrea F。 Young教授課題組相繼發表了10篇Nature、Science論文。截至今日，Andrea F。 Young教授的論文總引用次數高達16589餘次，h因子36。

下面就讓我們再次透過9篇NS論文來“瞻仰”Andrea F。 Young教授在石墨烯領域的非凡成就。

01． Science: 超越分數量子霍爾！觀察範德華異質結構中的分數陳絕緣體

與大多數電子拓撲現象不同，分數量子霍爾效應需要電子之間的相關性。在該工作中，

Andrea F. Young教授

等人

在雙層石墨烯（BLG）-六方氮化硼異質結構觀察到一類相關但更不尋常的狀態，分數陳絕緣體

。其中，石墨烯層之一相對於相鄰的六方氮化硼層錯位了一個小角度，由於強電子相互作用，未對準產生了超晶格勢和拓撲上非平凡的帶，這些帶具有部分填充。 這些發現擴充套件了相關拓撲狀態的類別，這些拓撲狀態已被預測為包含奇異的激發，構成了超出朗道能級的拓撲順序的一個例子。

圖1。 高質量 BLG 莫爾超晶格器件中的磁電容。

參考文獻：

Spanton et al。， Observation of fractional Chern insulators in a van der Waals heterostructure。 Science 360， 62–66 （2018）。 DOI： 10。1126/science。aan8458

02． Science: 調整扭曲雙層石墨烯的超導性

扭曲雙層石墨烯（tBLG）超導性的發現引起了研究人員的極大興趣，部分原因在於它可能源自於一種非常規的電子介導的配對機制，並且材料的組成很簡單，即只有碳原子。tBLG中可用的自由度（包括扭角控制、層間分離及由位移場引起的層間不平衡等）為從實驗上調整電子結構成為可能，這在以前所研究的超導體中已被證明難以實現。

鑑於此，

哥倫比亞大學的

Cory R. Dean

和

加州大學聖巴巴拉分校的

Andrea F. Young

（共同通訊作者）等人

在平帶條件下測量tBLG中超導與相關絕緣態的關係。

研究表明，除了扭轉角，還可以採用層間耦合得以精確地調整這些相位。研究人員透過改變層間間距與靜水壓力的關係，在大於1。1°的扭轉角下誘導超導態，而在這個角度上，相關態並不存在。其低無序器件揭示了超導相圖與其附近絕緣體之間的關係，該研究結果表明扭曲雙層石墨烯為探索相關態提供了一個獨特的可調整平臺。

圖2。 扭轉角度為1。14° 器件中的超導性。

參考文獻：

Yankowitz et al。， Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene。 Science 363， 1059-1064 （2019）。 DOI： 10。1126/science。aav1910

03. Nature: 透過範德瓦爾斯鄰近效應在雙層石墨烯中自旋軌道驅動帶反轉

自旋軌道耦合（SOC）是實現物質相時間反演不變性的關鍵。在該工作中，

美國加州大學聖巴巴拉分校的

A. F. Young教授

（通訊作者）

課題組

利用與半導體過渡金屬硫族化合物的範德華接觸，實現了層選擇鄰近效應，從而可在超淨雙層石墨烯中調製Kane-Mele SOC

。發現SOC在電中性時驅動能帶反轉，導致形成一種有帶隙的新相態。該結果為研究石墨烯異質結構強自旋軌道體系中強拓撲絕緣體及其相關量子相奠定基礎。

圖3。 來自接近誘導 SOC 的雙層石墨烯的反相。

參考文獻：

Island， J。O。， Cui， X。， Lewandowski， C。 et al。 Spin–orbit-driven band inversion in bilayer graphene by the van der Waals proximity effect。 Nature 571， 85–89 （2019）。 https：//doi。org/10。1038/s41586-019-1304-2

04. Science: 莫爾異質結構中的內在量子化異常霍爾效應

量子反常霍爾 （QAH） 效應結合了拓撲和磁性，可在零磁場下產生精確量化的霍爾電阻。 在該論文中，

美國加州大學聖巴巴拉分校的

A. F. Young教授

課題組

報告了

在與六方氮化硼對齊的扭曲雙層石墨烯中觀察到 QAH 效應

。 這種效應是由內在的強相互作用驅動的，它將電子極化成單一的自旋和谷分辨莫爾條紋，Chern數 C=1。與磁性摻雜系統相比，測量的傳輸能隙大於磁性有序的居里溫度，並且在零磁場下，在 von Klitzing 常數的 0。1% 以內的量化持續到幾個開爾文的溫度。 此外，小至 1 納安的電流可控制地在相反極化狀態之間切換磁序，形成可電重寫的磁儲存器。

圖4。 1。6 K 下扭曲雙層石墨烯中的量化異常霍爾效應。

參考文獻：

Serlin et al。， Intrinsic quantized anomalous Hall effect in a moiré heterostructure。 Science 367， 900–903 （2020）。 DOI： 10。1126/science。aay5533

05. Nature: 發現超常規磁性切換

磁性，通常來源於費米統計和排斥性庫侖相互作用的共同作用，從而有利於實現非零電子自旋的基態。長期以來，自旋磁性只能透過電場間接控制

有鑑於此，

加州大學聖芭芭拉分校

A. F. Young

等人

首次透過實驗實現了在軌道Chern絕緣子中對磁態的直接電場控制。

在該磁性體系中，非平整帶拓撲結構有利於軌道角動量的長程階數，但自旋仍然存在無序。研究人員使用雙層旋轉堆疊的石墨烯組成的範德華異質結作為研究物件，以實現狹窄且拓撲學上不重要的谷投影莫爾微帶。在這些帶內，每個摩爾單元晶胞填充1到3個電子時，就能觀察到量子反常霍爾效應，其橫向電阻大約等於h/2e2（其中h是普朗克常數，e是電子上的電荷），表明系統自發極化為Chern數等於2的單谷投影帶。當每個摩爾單位晶胞中填充3個電子時，可以透過對化學勢的場效應控制來逆轉量子反常霍爾效應的徵兆。這種轉變具有一定的滯後性，可以用來證明非易失性電場引起的磁態逆轉。理論分析表明，這種效應是由拓撲邊緣狀態引起的，該狀態驅動磁化特徵的變化，進而促進更有利的磁狀態發生逆轉。

圖5。 扭曲的單層-雙層石墨烯範德華異質結。

參考文獻：

Polshyn， H。， Zhu， J。， Kumar， M。A。 et al。 Electrical switching of magnetic order in an orbital Chern insulator。 Nature 588， 66–70 （2020）。 https：//doi。org/10。1038/s41586-020-2963-8

06. Science: 莫爾陳絕緣體中軌道鐵磁性成像

莫爾平帶系統中的電子可以自發地破壞時間反轉對稱性，從而產生量化的反常霍爾效應。在這項研究中，

加州大學聖芭芭拉分校

A. F. Young

等人

使用超導量子干涉裝置對與六方氮化硼對齊的扭曲雙層石墨烯中的雜散磁場進行成像。

研究發現每個電荷載流子有幾個玻爾磁子的磁化，這表明磁性主要是軌道性質的。測量結果表明，隨著化學勢掃過量子反常霍爾間隙，磁化強度發生了很大變化，這與手徵邊緣態對軌道陳絕緣體磁化強度的預期貢獻一致。此外，透過繪製場驅動磁反轉的空間演化圖，研究人員發現了一系列可重複的微米級域，這些域與結構無序有關。

圖6。 莫爾陳絕緣體中成像軌道鐵磁性。

參考文獻：

Tschirhart et al。， Imaging orbital ferromagnetism in a moiré Chern insulator。 Science 372， 1323–1327 （2021）。 DOI： 10。1126/science。abd3190

07. Nature: 扭曲雙層石墨烯中的同位旋Pomeranchuk效應

在冷凝物系統中，較高的溫度通常不利於有序相，從而導致磁性，超導性和其他現象的臨界溫度較高。3He的Pomeranchuk效應是一個例外，其中由於順磁性固相的熵大，液態基態在溫度升高時會凍結。在該工作中，

加州大學聖巴巴拉分校

Andrea F. Young

課題組

研究了

魔角扭轉雙層石墨烯中自旋和谷同位旋（spin and valley isospins）的有限溫度動力學，報告了低溫下同位旋非極化費米液體與高溫下區域性磁矩強烈波動狀態之間的熵驅動相變。

研究發現，當魔角石墨烯的平坦能帶有四分之一被電子填充時，在接近超晶格填充係數ν0為-1時的高溫下，石墨烯電阻率會出現峰值。即隨著溫度的升高，扭轉雙層石墨烯從金屬態轉變為高阻態，接近於電絕緣體。此時石墨烯中的電子從金屬態中的自由態轉變為近絕緣態中的束縛態，從而“凍結”到了晶格上。其轉變發生在10K左右，同時這種近絕緣態保持到70至100K左右。

透過測量傾斜場磁傳輸和麵內磁矩的熱力學，發現電阻率峰值與有限同位旋極化的有限場磁相變有關，在該相變處系統出現有限等自旋極化。這些資料表明魔角石墨烯中存在麥蘭丘克（Pomeranchuk）效應，即高溫下鐵磁相中無序同位旋矩的熵，比同位旋非極化的費米液態相的更加穩定。其中高溫近絕緣相的每個電子的熵比低溫金屬相的要大0。2個玻耳茲曼常量（kB， 1。38×10-23焦耳每開爾文）。這個值大致相當於一個自由電子自旋的熵貢獻。

圖7。 超晶格填充係數ν0=-1時附近扭曲雙層石墨烯在低溫和中溫下的傳輸對比。

參考文獻：

Saito， Y。， Yang， F。， Ge， J。 et al。 Isospin Pomeranchuk effect in twisted bilayer graphene。 Nature 592， 220–224 （2021）。 https：//doi。org/10。1038/s41586-021-03409-2

08. Nature: 菱面體三層石墨烯中的超導性

在乾淨的二維器件中透過電場效應獲得超導性是奈米電子學的核心目標。雖然石墨烯莫爾異質結構已經實現了超導性，但是這些結構中在機械強度上並不穩定，且表現出強烈無序的特徵。

鑑於此，

A. F. Young教授

課題組

報道了

在菱面體晶體三層石墨烯中觀察到的超導性——在低於開爾文溫度下表現為低電阻率或電阻率消失，一種結構亞穩態的碳同素異形體。

超導發生在兩個不同的柵極調諧區（SC1 和 SC2）中，並且處於由平均自由程和超導相干長度之比定義的極淨處。透過量子振盪對正常狀態費米表面的對映表明，這兩個超導體都從環形費米海中出現，並且接近於同位旋對稱破壞過渡的載流子密度，其中費米表面簡併性發生變化。而 SC1 從順磁正常狀態出現，SC2 從自旋極化、谷非極化的半金屬出現並且違反面內磁場的泡利極限至少一個數量級。

作者根據幾種機制對結果進行探討，包括傳統的聲子介導的配對，由於近端同位旋順序的波動而配對，以及環形費米液體的內在不穩定性。對乾淨且結構簡單的二維金屬中超導性的觀察提供了一個模型系統來測試超導性的競爭理論模型，同時避免了建模混亂的複雜化，同時實現了基於相關電子現象和彈道電子傳輸的新型場效應控制電子器件。

圖8。 菱面體三層石墨烯 （RTG） 中的超導性

參考文獻：

HaoxinZhou et al。 Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene。 Nature 2021。 https：//www。nature。com/articles/s41586-021-03926-0

09. Nature: 菱面體三層石墨烯中的半金屬和四價金屬

鐵磁性在過渡金屬化合物中最常見，其中電子佔據高度區域性化的 d 軌道。然而，鐵磁有序也可能出現在低密度二維體系電子系統。

在該工作中，

A. F. Young教授

課題組

展示了菱面體三層石墨烯中的門調諧範霍夫奇點將電子系統的自發鐵磁極化驅動為一種或多種自旋（Spin）電子和谷（Valley）電子特徵。

使用電容和電子遷移測量，作者觀察到相之間的一系列密度和電子位移場調諧躍遷，其中量子振盪具有四倍、兩倍或一倍的簡併性，分別與自旋和谷簡併正常金屬，自旋極化的“半金屬”，以及自旋和谷極化的“四分之一金屬”相關。透過孔填充，作者觀察到更豐富的相圖，其中包含費米表面拓撲結構中對稱性破壞和躍遷的微妙相互作用。最後，作者使用旋轉對齊的六方氮化硼襯底引入莫爾超晶格。結果表明，菱形石墨烯是控制良好的多體理論測試的理想平臺，並揭示了莫爾材料中的磁性本質上是流動的。

圖9。 導帶中的斯通納鐵磁性

根據A。 F。 Young課題組最新資料顯示，他在發表了10餘篇NS正刊後，終於晉升為教授。

參考文獻：

HaoxinZhou， Tian Xie et al。 Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene。Nature 2021。 https：//www。nature。com/articles/s41586-021-03938-w

Andrea F。 Young教授課題組主頁：

https：//www。afylab。com/

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