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連發4篇Nature,魔角石墨烯王者歸來

2018年,MIT物理學家Pablo Jarillo-Herrero帶領他的研究團隊報道了一個全新的發現,把石墨烯推向了新的發展高度。他們發現,當兩個單層石墨烯片以1.1°左右的特定旋轉角度垂直堆疊時,可以在原子尺度設計得到莫爾條紋,實現絕緣體到超導體之間的轉變,這為高溫超導的研究帶來了新的曙光。

這之後,二維材料都跳起了秧歌舞,扭一扭就能上天,一時間風起雲湧,無數英雄競折腰。但是,背後的機理,一直不為人知。通過對自由電子的觀測圖像,科學家可以定性地理解單層石墨烯的許多性質,譬如能量和電子動量之間的關系,幾乎與周圍電子的密度無關,這時候電子之間的排斥作用是忽略的。而扭曲的雙層石墨烯在“魔性”的旋轉角度的情況卻變得非常不同。在魔角旋轉的情況下,電子占據平帶,能級能量僅随電子動量微弱變化。由于平帶的能量範圍很小,電子之間的相互作用不再是微弱的擾動,系統的物理性質主要取決于電子密度。這種相互作用甚至會引起單層石墨烯中看不到的相,譬如在高溫超導的情況下,增加或減少電子密度會抑制絕緣行為并産生超導相(電子以零電阻傳輸)。

這些基于電導率的觀測清晰地确定了相互作用引起的絕緣和超導相的存在。然而,更微觀的性質依然如上古之謎,不甚明了。

今日,Nature連發3篇研究論文,并配了1篇NEWS AND VIEWS的專業解讀,加上arXiv預印本上早先的一篇文章,4個研究團隊獨立地運用譜學技術對魔角石墨烯的特殊行為進行了闡述。

4個研究團隊都是使用掃描隧道顯微鏡(STM)來測量原子級結構和電子能量分布。其基本原理為:STM的導電針尖掃描樣品,根據所施加的電壓是正還是負,電子從針尖遂穿到樣品,或者從樣品遂穿到針尖,所得到的電流随針尖位置的變化對樣品的形貌進行編碼。電流随電壓變化,代表了樣品狀态局部密度——在給定能量下電子可以占據的量子态數量。

利用STM技術,研究團隊使魔角石墨烯中的莫爾條紋變得可視化,從而可以通過觀察不同方向的條紋間距的變化來量化系統中的應變量。該方法還揭示了由兩個單層石墨烯片的耦合産生的碳原子的空間重排。這些細節對于精确理解電子能帶結構至關重要,也是精确建模絕緣和超導相必不可少的第一步。

研究團隊發現,态密度和有多少電子占據扁平帶緊密相關,該結果直接展示出系統中電子之間相關性的重要性。特别重要的是,在低能量情況下,态密度受到電子濃度有關的抑制,這一發現确立了電子特性與電子傳輸之間的直接聯系。

哈佛大學Mathias S. Scheurer教授指出,這四組研究數據中有三個主要差異,值得大家關注。

1.Jiang等人在完全填充或空平帶的态密度中僅觀察到單個峰值,而其他團隊看到兩個峰值。在扭曲的雙層石墨烯的常用理論模型中,預期有兩個峰,造成這種差異的原因尚不清楚。一種可能的解釋是,接近魔角,态密度對樣品制備過程中可能發生的擾動高度敏感。

2.在獲得兩個峰值的三組實驗中,當部分填充扁平帶時,Xie等人看到了最顯著的電子相關性影響,他們不僅發現具有部分占據電子态的峰形成了類似間隙的特征,也發現了第二個峰值變得非常扭曲。

3.各種研究中,不同電子濃度對雙層系統旋轉對稱性的破壞尤為突出:與絕緣體相關的濃度;電荷中性點附近的濃度,其中一半平帶填充;平帶部分填充的任何濃度。這種增強的對稱性破壞很可能源于電子,因為其大小取決于系統中電子的密度。but,who knows?

總之,這四篇論文表明,STM測量魔角扭曲的雙層石墨烯可以為對稱性破壞和電子相關性的局部效應提供有價值的見解,并未未來的STM研究提出許多直接的開放性問題。不同群體的調查結果之間存在差異的原因是什麼?觀察到的哪些現象是扭曲的雙層石墨烯的固有特征,它們對擾動很穩定,還是更脆弱?

這個年輕而富有活力的研究領域充滿了令人興奮的驚喜等待被發現,譜學技術将繼續在這一領域中發揮關鍵作用,并可能成為強相關物理論的通用測試平台。

本文來自納米人,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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