昨日Nature二連發說什么——石墨烯中的新電子態
昨天，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。
文獻鏈接：Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices（Nature,?2018, DOI: 10.1038/nature26154）
Nature：魔角石墨烯超晶格中的非常規超導性
【引言】
數十年來，強關聯電子材料的行為令物理學家感到困惑，特別是非常規超導體的行為。這種困難激發了新的研究范式，例如模擬量子材料的超冷原子晶格。
【成果簡介】
近日，在美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）和曹原（第一作者）團隊的帶領下，與美國哈佛大學，日本國立材料科學研究所合作，報道了堆疊具有小扭曲角的兩個石墨烯片中二維超晶格，產生一種全新的電子態——超導態。當旋轉角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應增項，從而產生非導電的Mott絕緣態。在Mott絕緣態情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉變為超導態。相關成果以題為“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”發表在了Nature上。
【圖文導讀】
圖1 石墨烯超晶格中的2D超導電性
（a）典型的扭曲雙層石墨烯（TBG）裝置和四探針測量方案的示意圖；
（b）在兩個器件M1和M2中測量四探針電阻Rxx = Vxx/I ，其中扭轉角分別為θ= 1.16°和θ= 1.05°。插圖是設備M1的圖像；
（c）在超晶格的第一個小布里淵區（MBZ）中，TBG在θ= 1.05°處的能帶結構；
（d）（c）所示帶的狀態密度（DOS），放大到-10?10meV；
（e）在n = -1.44×1012cm-2和各種溫度下測量的器件M2的I-V曲線。
圖2?石墨烯超晶格中的可調諧超導性
（a）在零磁場（紅色線）和B⊥= 0.4 T（藍色線）的垂直場中測得的器件M1的雙探針G2電導；
（b）在（a）中由粉紅色虛線包圍的區域對應的密度下測得的四探針電阻Rxx與溫度的關系；
（c）在裝置M2中粉紅色虛線包圍的區域對應的密度下測得的四探針電阻Rxx與溫度的關系。
圖3?石墨烯超晶格中超導態的磁場響應
（a，b）四探針電阻分別作為器件M1和M2中密度n和垂直磁場B⊥的函數；
（c）器件M2測量的不同B⊥值的差分電阻dVxx/dI與直流偏置電流I的關系；
（d）器件M1測量的不同B⊥值的Rxx-T曲線；
（e）器件M1的垂直和平行臨界磁場與溫度的關系。
圖4?石墨烯超晶格在不同磁場下的溫度密度相圖
（a-c）分別在B⊥= 0，B⊥= 0.4T和Bperp?= 8T下測量的不同密度的器件M1的Rxx-T曲線；
（d-f）（a-c）中對應于磁場的示意性相圖。
圖5?在高場下石墨烯超晶格中的量子振蕩
（a）器件M2的磁阻Rxx和B⊥的關系；
（b）（a）中由A，B和C標記的電荷密度的溫度依賴性量子振蕩跡線；
（c）（b）中所示的振蕩的歸一化振幅的Lifshitz-Kosevich曲線；
（d，e）分別是作為電荷密度n的函數提取的SdH振蕩頻率和有效質量。
圖6?石墨烯超晶格在強耦合極限中的超導性
【小結】
石墨烯超晶格中非常規超導的實現將石墨烯超晶格建立為一個用于研究相關電子物理的相對簡單的，可訪問和高度可調的平臺。石墨烯超晶格中的相互作用可以通過扭曲角度和通過差分門控施加垂直電場來進一步微調。此外，通過向石墨烯超晶格施加壓力以增加層間雜化，或通過耦合不同的石墨烯超晶格結構以引起垂直方向上的Jospehson耦合，Tc可以進一步增強。類似的魔角超晶格和平帶電子結構也可以用其他二維材料或晶格來實現，以研究具有不同屬性的強相關系統。
文獻鏈接：Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices（Nature,?2018, DOI: 10.1038/nature26160）
Nature：魔角石墨烯超晶格中的非常規超導性
【引言】
由兩片石墨烯制成的簡單系統已經從絕緣體轉變為超導體。這一發現有望開啟對超導電性的非傳統形式的研究。
【成果簡介】
近日，美國賓夕法尼亞大學Eugene J. Mele教授評述了麻省理工學院曹原博士的成果，評說他們制備了旋轉扭曲的雙層石墨烯，通過電子之間的相互作用來控制整個體系的電子態。旋轉產生的位錯使石墨烯層中的電子能帶結構不再對齊，單胞變大。研究發現，堆疊的雙層石墨烯中，電學行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。相關評述以題為“Novel electronic states seen in graphene”發表在了Nature上。
【圖文導讀】
圖1 不同角度扭曲的雙層石墨烯
（a）當石墨烯雙層被扭曲使得頂層片材與下層片材不對齊時，單位晶胞變大；?
（b）對于小旋轉角度，產生“莫爾條紋”圖案，其中局部堆疊布置周期性變化。?
【小結】
這一發現表明，扭曲的雙層石墨烯可作為一個靈活和可調諧的平臺，其中相關的電子現象可以很容易觀察到，甚至可能被設計和開發。這項工作為研究非常規超導性提供了一種有前途的方法。
文獻鏈接：Novel electronic states seen in graphene（Nature,?2018, DOI: 10.1038/d41586-018-02660-4）
本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。
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