麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，打開(kāi)了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門，該成果以“背靠背”形式刊登在Nature官網(wǎng)上。
Nature：在魔角石墨烯超晶格中半填充時(shí)的相關(guān)絕緣體行為
【引言】
范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)是二元構(gòu)筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)更多的工程化操縱。其中一個(gè)方向，就是通過(guò)控制層間扭曲角度，來(lái)調(diào)控范德華異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。到目前為止，關(guān)于扭曲角度在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中效應(yīng)的研究主要集中在石墨烯/六方氮化硼扭曲結(jié)構(gòu)中，由于在六方氮化硼中存在大帶隙，其表現(xiàn)出相對(duì)較弱的層間相互作用。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，在美國(guó)麻省理工學(xué)院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)和曹原（第一作者）的帶領(lǐng)下，與美國(guó)哈佛大學(xué)，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所合作，報(bào)道了當(dāng)兩個(gè)石墨烯片材扭曲接近理論預(yù)測(cè)的“魔角”時(shí)，由于強(qiáng)的層間耦合，產(chǎn)生的電荷中性附近的能帶結(jié)構(gòu)變得平坦。這些扁平帶在半填充時(shí)表現(xiàn)出絕緣狀態(tài)，產(chǎn)生的新電子態(tài)是Mott絕緣體態(tài)，來(lái)源于電子之間的強(qiáng)排斥作用。魔角扭曲雙層石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)可能為無(wú)磁場(chǎng)的二維平臺(tái)上的多體量子相位開(kāi)啟新的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。相關(guān)成果以題為“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”發(fā)表在了Nature上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結(jié)構(gòu)
（a）扭曲的雙層石墨烯（TwBLG）器件的示意圖；
（b）在TwBLG中看到的莫爾條紋；
（c）1.08°TwBLG的能帶結(jié)構(gòu)；
（d）MBZ由來(lái)自兩層的兩個(gè)K（K’）波矢量之間的差異構(gòu)成；
（e-g）不同夾層層間雜交效果圖；
（h）計(jì)算1.08°時(shí)E> 0的平帶的局部態(tài)密度（LDOS）；
（i）堆疊順序的簡(jiǎn)化模型的俯視圖。
圖2?扭曲雙層石墨烯器件D1的電導(dǎo)
（a）用1.08°測(cè)量魔角TwBLG器件D1的電導(dǎo)，插圖顯示了四種不同器件中半填充絕緣相（HFIP）的密度位置；
（b）D1中兩個(gè)HFIP的最小電導(dǎo)值；
（c，d）分別在p側(cè)和n側(cè)HFIP附近，D1的溫度依賴性電導(dǎo)從0.3?1.7K。
圖3?扭曲雙層石墨烯器件D2的電容測(cè)量
（a）器件D2在0.3 K（藍(lán)色線）和2 K（粉色線）處的電容測(cè)量；
（b）從溫度相關(guān)的SdH振蕩中提取的有效質(zhì)量m*和振蕩頻率fSdH；
（c）在4.5K至120K的不同溫度下，D1的電導(dǎo)與柵極的相關(guān)性；
（d）TwBLG中E> 0平帶分支的帶寬W與不同扭轉(zhuǎn)角的現(xiàn)場(chǎng)能量U之間的比較。
圖4?扭曲雙層石墨烯器件D2的電容測(cè)量
（a，b）分別在p側(cè)和n側(cè)，D1的HFIP電導(dǎo)的B⊥依賴性；
（c）不同磁場(chǎng)下p側(cè)HFIP電導(dǎo)的阿侖尼烏斯曲線圖；
（d-f）不同狀態(tài)圖（DOS）的密度
【小結(jié)】
該團(tuán)隊(duì)的研究表明，石墨烯可以通過(guò)范德華工程轉(zhuǎn)化為平衡帶系統(tǒng)，其中相關(guān)效應(yīng)起著基礎(chǔ)性作用。魔角TwBLG為研究Mott絕緣體態(tài)提供了一個(gè)新的平臺(tái)，它可以提供對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的洞察力，特別是高溫超導(dǎo)性。三角形晶格上的自旋和谷結(jié)合自由度的豐富性也可以引起如量子自旋液體等外來(lái)量子相位。
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