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连发4篇Nature,魔角石墨烯王者归来

2018年,MIT物理学家Pablo Jarillo-Herrero带领他的研究团队报道了一个全新的发现,把石墨烯推向了新的发展高度。他们发现,当两个单层石墨烯片以1.1°左右的特定旋转角度垂直堆叠时,可以在原子尺度设计得到莫尔条纹,实现绝缘体到超导体之间的转变,这为高温超导的研究带来了新的曙光。

这之后,二维材料都跳起了秧歌舞,扭一扭就能上天,一时间风起云涌,无数英雄竞折腰。但是,背后的机理,一直不为人知。通过对自由电子的观测图像,科学家可以定性地理解单层石墨烯的许多性质,譬如能量和电子动量之间的关系,几乎与周围电子的密度无关,这时候电子之间的排斥作用是忽略的。而扭曲的双层石墨烯在“魔性”的旋转角度的情况却变得非常不同。在魔角旋转的情况下,电子占据平带,能级能量仅随电子动量微弱变化。由于平带的能量范围很小,电子之间的相互作用不再是微弱的扰动,系统的物理性质主要取决于电子密度。这种相互作用甚至会引起单层石墨烯中看不到的相,譬如在高温超导的情况下,增加或减少电子密度会抑制绝缘行为并产生超导相(电子以零电阻传输)。

这些基于电导率的观测清晰地确定了相互作用引起的绝缘和超导相的存在。然而,更微观的性质依然如上古之谜,不甚明了。

今日,Nature连发3篇研究论文,并配了1篇NEWS AND VIEWS的专业解读,加上arXiv预印本上早先的一篇文章,4个研究团队独立地运用谱学技术对魔角石墨烯的特殊行为进行了阐述。

4个研究团队都是使用扫描隧道显微镜(STM)来测量原子级结构和电子能量分布。其基本原理为:STM的导电针尖扫描样品,根据所施加的电压是正还是负,电子从针尖遂穿到样品,或者从样品遂穿到针尖,所得到的电流随针尖位置的变化对样品的形貌进行编码。电流随电压变化,代表了样品状态局部密度——在给定能量下电子可以占据的量子态数量。

利用STM技术,研究团队使魔角石墨烯中的莫尔条纹变得可视化,从而可以通过观察不同方向的条纹间距的变化来量化系统中的应变量。该方法还揭示了由两个单层石墨烯片的耦合产生的碳原子的空间重排。这些细节对于精确理解电子能带结构至关重要,也是精确建模绝缘和超导相必不可少的第一步。

研究团队发现,态密度和有多少电子占据扁平带紧密相关,该结果直接展示出系统中电子之间相关性的重要性。特别重要的是,在低能量情况下,态密度受到电子浓度有关的抑制,这一发现确立了电子特性与电子传输之间的直接联系。

哈佛大学Mathias S. Scheurer教授指出,这四组研究数据中有三个主要差异,值得大家关注。

1.Jiang等人在完全填充或空平带的态密度中仅观察到单个峰值,而其他团队看到两个峰值。在扭曲的双层石墨烯的常用理论模型中,预期有两个峰,造成这种差异的原因尚不清楚。一种可能的解释是,接近魔角,态密度对样品制备过程中可能发生的扰动高度敏感。

2.在获得两个峰值的三组实验中,当部分填充扁平带时,Xie等人看到了最显著的电子相关性影响,他们不仅发现具有部分占据电子态的峰形成了类似间隙的特征,也发现了第二个峰值变得非常扭曲。

3.各种研究中,不同电子浓度对双层系统旋转对称性的破坏尤为突出:与绝缘体相关的浓度;电荷中性点附近的浓度,其中一半平带填充;平带部分填充的任何浓度。这种增强的对称性破坏很可能源于电子,因为其大小取决于系统中电子的密度。but,who knows?

总之,这四篇论文表明,STM测量魔角扭曲的双层石墨烯可以为对称性破坏和电子相关性的局部效应提供有价值的见解,并未未来的STM研究提出许多直接的开放性问题。不同群体的调查结果之间存在差异的原因是什么?观察到的哪些现象是扭曲的双层石墨烯的固有特征,它们对扰动很稳定,还是更脆弱?

这个年轻而富有活力的研究领域充满了令人兴奋的惊喜等待被发现,谱学技术将继续在这一领域中发挥关键作用,并可能成为强相关物理论的通用测试平台。

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