麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變，打開了非常規超導體研究的大門，該成果以“背靠背”形式刊登在Nature官網上。
Nature：在魔角石墨烯超晶格中半填充時的相關絕緣體行為
【引言】
范德華異質結構是二元構筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎上，可以實現更多的工程化操縱。其中一個方向，就是通過控制層間扭曲角度，來調控范德華異質結的電子結構。到目前為止，關于扭曲角度在范德瓦爾斯異質結構中效應的研究主要集中在石墨烯/六方氮化硼扭曲結構中，由于在六方氮化硼中存在大帶隙，其表現出相對較弱的層間相互作用。
【成果簡介】
近日，在美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）團隊和曹原（第一作者）的帶領下，與美國哈佛大學，日本國立材料科學研究所合作，報道了當兩個石墨烯片材扭曲接近理論預測的“魔角”時，由于強的層間耦合，產生的電荷中性附近的能帶結構變得平坦。這些扁平帶在半填充時表現出絕緣狀態，產生的新電子態是Mott絕緣體態，來源于電子之間的強排斥作用。魔角扭曲雙層石墨烯的獨特性質可能為無磁場的二維平臺上的多體量子相位開啟新的運動場。相關成果以題為“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”發表在了Nature上。
【圖文導讀】
圖1 扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結構
（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的能帶結構；
（d）MBZ由來自兩層的兩個K（K’）波矢量之間的差異構成；
（e-g）不同夾層層間雜交效果圖；
（h）計算1.08°時E> 0的平帶的局部態密度（LDOS）；
（i）堆疊順序的簡化模型的俯視圖。
圖2?扭曲雙層石墨烯器件D1的電導
（a）用1.08°測量魔角TwBLG器件D1的電導，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HFIP的最小電導值；
（c，d）分別在p側和n側HFIP附近，D1的溫度依賴性電導從0.3?1.7K。
圖3?扭曲雙層石墨烯器件D2的電容測量
（a）器件D2在0.3 K（藍色線）和2 K（粉色線）處的電容測量；
（b）從溫度相關的SdH振蕩中提取的有效質量m*和振蕩頻率fSdH；
（c）在4.5K至120K的不同溫度下，D1的電導與柵極的相關性；
（d）TwBLG中E> 0平帶分支的帶寬W與不同扭轉角的現場能量U之間的比較。
圖4?扭曲雙層石墨烯器件D2的電容測量
（a，b）分別在p側和n側，D1的HFIP電導的B⊥依賴性；
（c）不同磁場下p側HFIP電導的阿侖尼烏斯曲線圖；
（d-f）不同狀態圖（DOS）的密度
【小結】
該團隊的研究表明，石墨烯可以通過范德華工程轉化為平衡帶系統，其中相關效應起著基礎性作用。魔角TwBLG為研究Mott絕緣體態提供了一個新的平臺，它可以提供對強關聯材料的洞察力，特別是高溫超導性。三角形晶格上的自旋和谷結合自由度的豐富性也可以引起如量子自旋液體等外來量子相位。
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