2018年，毕业于中国科学技术大学，被誉为“天才少年”的曹原及其导师Pablo Jarillo-Herrero在魔角扭曲的双层石墨烯中首次发现新的电子态，一举打开了非常规超导体研究的大门。
这一发现迅速轰动了国内外学术界，同时也开辟了凝聚态物理的一块全新领域，为研究电子与电子之间的关联效应，提供了全新的、开辟性的理论基础。此后，魔角扭曲双层石墨烯（magic-angle twisted bilayer graphene，MATBG）这一神奇的材料更是一跃成为《Nature》、《Science》顶刊的“常客“。
图1. 重叠两片石墨烯后出现的特殊图案。
2021年12月16日，哈佛大学Amir Yacoby教授和麻省理工学院（MIT）Pablo Jarillo-Herrero教授联手再次在国际顶级期刊《Nature》刊登了魔角扭曲双层石墨烯领域的重大研究进展：首次在低磁场下观察到MATBG中的八个分数陈绝缘体（FractionalChern insulator, FCI）状态。其中第一个FCI状态在5T的 3 < ν < 4 范围内出现，同时伴随着附近拓扑微不足道的电荷密度波状态的消失。
研究发现，这些 FCI 状态是由 MATBG 的本征带拓扑引起的，并且通过弱磁场稳定，从而实现有利于 FCI 出现的量子几何。同时，该工作还表明 FCI 可以在零磁场下实现，并为探索和操纵平坦莫尔陈带中的任意子激发铺平道路。
值得一提的是，论文的第一作者和第一通讯作者是哈佛大学从事博士后研究的中国小伙谢泳龙博士（Xie Yonglong），通讯作者包括MIT的PabloJarillo-Herrero教授和哈佛大学物理系教授Amir Yacoby。曹原也是文章的合作者之一。
图1. 谢泳龙博士（左）和曹原博士（右）
高中主修法语，两次放弃保送，23岁读博，博士期间发表4篇NS
据悉，谢泳龙博士高中就读于深圳外国语学校，主修法语，且法语成绩十分优秀，曾获法国驻广州领事馆首届法国文学作品朗诵比赛第一名；同时他也是运动健将，曾获校运动会1500米冠军，还是学校定向越野队成员和校足球队队员。
2008年高中毕业后谢泳龙博士被保送武汉大学法语系，同时也通过了深外友好学校——法国凯兰中学理科预科班筛选。由于希望在国外发展，谢泳龙博士便选择了后者，并于2010考入培养出10位菲尔兹奖（数学领域的最高奖项）和11位诺贝尔奖得主的世界著名大学——法国巴黎高等师范学院，且获得全额奖学金（物理化学方向，全法国当年仅招21名）。
在就读法国巴黎高等师范学院期间，谢泳龙博士保持积极乐观、不断进取的学习态度，经过短短5年的学习，便成功地取得物理学学士和硕士学位，放弃保送博士的资格，并于2013年被美国普林斯顿大学物理系博士项目录取，进入Ali Yazdani教授课题组攻读博士学位。在六年的博士生涯中，谢泳龙博士在魔角石墨烯和超导领域取得了一系列突出成果，研究成果先后发表在Nature（1篇，第一作者）、Science（2篇，均为共同一作）上。
2019年10月，谢泳龙博士进入哈佛大学物理系Amir Yacoby教授团队从事博士后研究，研究成果先后于2021年9月30日以共同一作、2021年12月13日以共同一作加通讯作者身份发表在Nature physics （2篇） 上。
今日《Nature》一作+通讯！观察到低磁场下MATBG中的分数陈绝缘体态
2021年12月16日，谢泳龙博士再次以第一作者和共同通讯作者身份在《Nature》上发文报道，他们在低磁场下观察到MATBG中的分数陈绝缘体态。
分数量子霍尔效应是凝聚态物理中的重要研究领域，其新奇现象表现为新形态的量子流体和带分数电荷的激发态。传统的分数量子霍尔效应一般考虑强外磁场、低温和连续介质的环境。从2011年开始，人们发现，对于一些零外磁场下、时间反演对称性破缺、拥有拓扑非平庸平带（能带很平坦，几乎没有色散，且刻画其拓扑性质的不变量--陈数C为非零）的晶格模型，当粒子分数填充C不为零的某条平带时，粒子间的相互作用可以使系统的基态变成一种新的强关联拓扑有序态。这种态被称为分数陈绝缘体（FCI）态。
然而， FCI 状态在实验上十分不稳定，因为它们不仅需要非色散的Chern能带，还需要特定的量子带几何形状，包括平坦的Berry曲率分布。
迄今为止，科学家们仅在非常大(~30 T) 的磁场与六方氮化硼 (hBN)对齐的 Bernal 堆叠双层石墨烯(BLG)异质结构的 Hofstadter 带中观察到 FCI 状态。该平台的一个主要缺点是其能带拓扑从根本上源于磁场的存在，因此无法在零磁场限制中实现 FCI。相比之下，MATBG具有本征拓扑带的莫尔超晶格，在零磁场下存在平坦的陈带，因此为在零磁场下实现FCI 提供了一条有前途的途径。
图 3：弱磁场中的 FCI。
鉴于此，谢泳龙博士等人通过高分辨率局部压缩率测量成功在低磁场下观察到MATBG 中陈氏带的分数填充时八个 FCI 状态。这些状态中的第一个出现在 5 T 的 3 < ν < 4 范围内，同时伴随着附近拓扑微不足道的电荷密度波状态的消失。研究发现，这些 FCI 状态是由 MATBG 的本征带拓扑引起的，并且通过弱磁场稳定，为它们的出现创造了有利的量子几何条件。
图 4：更高磁场下的FCI。
“我们报告的MATBG 中 FCI 的观察引出了许多理论和实验问题。“谢泳龙博士表示，“ 一个有趣的方向是如何识别与这些FCI 状态相关的准粒子电荷，尤其是那些在分数量子霍尔系统中没有类似物的电荷。”
此外，值得注意的是，该项工作将外加磁场建立为Berry 曲率分布的新型调谐旋钮，并证实在 MATBG 平坦带中非常接近零场 FCI。因此，一项紧迫的实验任务是开发降低 MATBG 中 w0/w1 的方法，并探索 MATBG 之外的替代平台，这些平台不受 Berry 曲率不均匀性的影响较小，这将能够在零磁场下实现 FCI，并为创建下一代拓扑量子器件提供新的机会。
参考文献：
Xie, Y., Pierce,A.T., Park, J.M. et al. Fractional Chern insulators in magic-angle twistedbilayer graphene. Nature 600, 439–443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04002-3