在材料科學(xué)和量子物理中稱為“魔角”扭曲雙層石墨烯（TBLG）中的莫爾條紋和平帶相關(guān)行為引起了科學(xué)家們的極大興趣，盡管許多性質(zhì)面臨激烈的爭論。在《科學(xué)進展》上期刊發(fā)表的一項新研究中，

埃米利奧·科萊多和在美國、日本物理學(xué)、材料科學(xué)系的科學(xué)家觀察到了扭曲雙層石墨烯中的超導(dǎo)性和類莫特（Mott）絕緣體狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)角約為0.93度。這個角度比之前研究中計算的“魔角”角度(～1.1°)小15%。這項研究顯示，扭曲雙層石墨烯的“魔角”范圍比之前預(yù)期的要大。

這項研究為破譯扭曲雙層石墨烯中的強量子現(xiàn)象提供了豐富的新信息，用于量子物理中的應(yīng)用。物理學(xué)家將“Twistronics”定義為相鄰范德瓦爾斯層之間的相對扭曲角，以產(chǎn)生石墨烯中的莫爾條紋和平帶。這一概念已經(jīng)成為一種新的和獨特適合于顯著改變、定制基于二維材料的設(shè)備屬性，以實現(xiàn)電流流動的方法?！癟wistronics”的顯著效果在研究人員開創(chuàng)性工作中得到了例證，證明了當(dāng)兩個單層石墨烯層以θ=1.1±0.1°的“魔角”扭轉(zhuǎn)角度堆疊時，出現(xiàn)了非常平坦的帶。

本研究中，在扭曲雙層石墨烯(TBLG)中，實驗觀察到超晶格第一個微帶(結(jié)構(gòu)特征)在“魔角”處半填充時的絕緣相。研究小組確定這是一種莫特絕緣體(一種具有超導(dǎo)特性的絕緣體)，在略高和低摻雜量下表現(xiàn)出超導(dǎo)電性。相圖顯示高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)和費米溫度(Tf)之間。這項研究引發(fā)了關(guān)于石墨烯能帶結(jié)構(gòu)、拓撲和附加“魔角”半導(dǎo)體系統(tǒng)的極大興趣和理論辯論，與最初的理論報道相比，實驗研究很少，而且才剛剛開始。在這項研究中，研究小組對展示相關(guān)絕緣態(tài)和超導(dǎo)態(tài)的“魔角”扭曲雙層石墨烯進行了傳輸測量。

出人意料地0.93±0.01的扭曲角，這比已經(jīng)建立的“魔角”小了15%，同時也是迄今為止報道的最小，并且顯示出超導(dǎo)特性。這些結(jié)果表明，新的關(guān)聯(lián)態(tài)可以出現(xiàn)在“魔角”扭曲雙層石墨烯中，低于初級“魔角”，超出石墨烯的第一個微帶。為了建造這些“魔角”扭曲雙層石墨烯設(shè)備，研究小組使用了“撕裂和堆疊”的方法。封裝了六邊形氮化硼(BN)層之間的結(jié)構(gòu)；圖案化成霍爾棒幾何形狀，具有多根導(dǎo)線耦合到Cr/Au(鉻/金)邊緣觸點。并在用作背柵的石墨烯層的頂部制造了整個“魔角”扭曲雙層石墨烯器件。

科學(xué)家們使用標(biāo)準(zhǔn)直流(DC)和交流(AC)鎖定技術(shù)在泵浦HE4和HE3低溫恒溫器中測量器件。研究團隊記錄了器件的縱向電阻(Rxx)與擴展柵極電壓(VG)范圍之間的關(guān)系，并計算了溫度為1.7K時的磁場B。觀察到小的電子-空穴不對稱是“魔角”扭曲雙層石墨烯器件的固有特性，正如之前報告所觀察到的那樣，研究小組記錄了這些結(jié)果，并詳細說明迄今報道表現(xiàn)出超導(dǎo)特性“魔角”扭曲雙層石墨烯器件的最小扭轉(zhuǎn)角值。關(guān)于Landau扇形圖的更仔細檢查，研究人員獲得了一些顯著的特征。

例如，半填充時的峰值和Landau能級的兩倍簡并性與先前觀察到的類莫特相關(guān)絕緣態(tài)一致。該團隊顯示了近似自旋谷SU(4)對稱性的打破和一個新準(zhǔn)粒子費米面的形成。然而，細節(jié)需要更細致的檢查。還觀察到超導(dǎo)的出現(xiàn)，這增加了Rxx(縱向電阻)，類似于先前的研究。然后，研究小組檢查了超導(dǎo)相的臨界溫度(Tc)，由于在這個樣品中超導(dǎo)的最佳摻雜沒有獲得數(shù)據(jù)，科學(xué)家們假設(shè)臨界溫度可以高達0.5K。然而，在能夠從超導(dǎo)狀態(tài)獲得清晰的數(shù)據(jù)之前，這些器件變得不起作用。為了進一步研究超導(dǎo)狀態(tài)，研究人員測量了器件在不同載流子密度下的四端電壓-電流(V-I)特性。

獲得的電阻顯示，在更大的密度范圍內(nèi)觀察到了超級電流，并顯示了在施加平行磁場時對超級電流的抑制。為了獲得對研究中觀察到的行為洞察，研究人員使用Bistritzer-MacDonald模型和改進的參數(shù)計算了“魔角”扭曲雙層石墨烯器件的莫爾能帶結(jié)構(gòu)。與之前對“魔角”角度的計算相比，計算出的低能莫爾能帶與高能帶在能量上沒有隔離。雖然該器件的扭曲角比其他地方計算的“魔角”角度小，但該器件存在與先前研究強烈相關(guān)的現(xiàn)象(類莫特絕緣和超導(dǎo))，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)這是意想不到的，也是可取的。

在進一步評估大密度下的行為(每種能量上可用狀態(tài)的數(shù)量)后，科學(xué)家觀察到的特征，歸功于新出現(xiàn)的相關(guān)絕緣狀態(tài)。在未來將對態(tài)密度(DOS)進行更細致的研究，以了解奇特的絕緣態(tài)，并確定它們是否可以歸類為量子自旋液體。通過這種方式，科學(xué)家們在一個小扭曲角度(0.93°)的扭曲雙層石墨烯器件中觀察到了類莫特絕緣態(tài)附近的超導(dǎo)電性。這項研究表明，即使在如此小的角度和高密度下，電子關(guān)聯(lián)對莫爾條紋性質(zhì)的影響也是如此。未來將研究絕緣相的自旋谷序，并在較低溫度下研究尋找新的超導(dǎo)相，實驗研究將與理論努力相結(jié)合，以了解這種行為的起源。

博科園｜Copyright?Science X Network/Thamarasee Jeewandara,Phys

參考期刊《科學(xué)進展》《美國國家科學(xué)院院刊》《自然》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw9770

DOI: 10.1073/pnas.1108174108

DOI: 10.1038/nature26160

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)哦