能刷爆NS的多層轉角石墨烯，可不止是曹原一家

牛年的最后一個休息日，大部分社畜還沉浸在假期即將結束的悲痛中...與此同時，年度NS釘子戶轉角石墨烯，它它它又來了，這一次還是Nature的封面。

這篇文章并沒有在微信公眾號上刷出大水花，一部分原因是它并不出自魔角石墨烯天才少年曹原，而是來自巴西米納斯聯邦大學的Ado Jorio和美國瓊森·羅蘭科學中心的Vincent Meunier。

事實上，全球范圍內從事石墨烯轉角研究的科學家是很多的，遠遠不止曹原和他的老板Pablo Jarillo-Herrero。遠的不說，咱們復旦大學物理系的張遠波教授也研究過這個。

在這篇文章里面，我們就來嘮嘮啥是轉角石墨烯，全球范圍內有哪些大家在搞這個。

啥是轉角石墨烯？

石墨烯轉角屬于一個新興的研究領域——twistronics（從名字上看出來這貨是扭曲和電子，倆英文單詞的結合）。簡單說來，當二維材料片發生扭曲時，這種扭曲會使材料的一些物理行為發生巨大的改變。這里的物理行為包括高溫超導、非線性光學和結構超潤滑性等等。

曹原因為做出了轉角約為1.08^o的雙層轉角石墨烯，在Nature上發表了2篇背靠背的論文而備受關注。而那個神奇的1.08^o也被稱為魔角。所以說，魔角石墨烯的研究是轉角石墨烯研究的一部分。

事實上，因為這個領域的研究十分火爆，頂刊上的研究成果更迭是非常地迅速。除了雙層轉角石墨烯被做出來以外，三層、四層的轉角石墨烯也是有的。世界上從事這個領域研究的科學家很多，他們也應該像曹原一樣被中國的科研群眾所認識：Harvard大學的Philip Kim、UC Berckley的王楓教授等等。

1.巴西米納斯聯邦大學Ado Jorio&美國瓊森·羅蘭科學中心Vincent Meunier Nature：低角度扭曲雙層石墨烯中晶格動力學的局域化

扭曲的雙層石墨烯是通過使雙層石墨烯中的兩個晶體網絡彼此相對旋轉而產生的。對于較小的扭曲角，材料會經歷自組織的晶格重構，從而導致形成周期性重復的疇。產生的超晶格調節材料中的振動和電子結構，從而導致電子-聲子耦合行為發生變化，并觀察到強相關性和超導電性。但是，深入了解這些調制并了解相關效果具有挑戰性，因為對于實驗技術而言，調制量太小，無法準確地解析相關的能級，而對于理論模型而言，調制量太大，無法正確地描述局部效應。

巴西米納斯聯邦大學Ado Jorio&美國瓊森·羅蘭科學中心Vincent Meunier報道由納米拉曼分光鏡產生的高光譜光學圖像，該圖像是重構的（低角度）扭曲雙層石墨烯中的晶體超晶格。納米拉曼技術使用可見光觀察晶體結構成為可能，該技術揭示了晶格動力學的局部化，并且存在應變孤子和拓撲點，導致可檢測的光譜變化。通過原子模型可以使結果合理化，該模型可以評估超晶格的電子狀態和振動狀態的局部密度。該評估突出了孤子和拓撲點與結構的振動和電子特性的相關性，尤其是對于較小的扭曲角。這個結果是邁向了解原子和納米尺度上與聲子相關的效應（例如Jahn-Teller效應和庫珀電子配對）的重要一步，并且可能會在扭轉旋翼技術迅猛發展的背景下幫助改善器件的特性。

文獻鏈接：

Localization of lattice dynamics in low-angle twisted bilayer graphene.

(Nature, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03252-5)

2.麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原Nature：魔角扭曲三層石墨烯中可調諧的強耦合超導

莫爾超晶格最近已經成為一個平臺，可以在此平臺上以前所未有的可調性研究相關的物理學和超導性。盡管在其他幾種莫爾條紋系統中也觀察到了相關的效應，但魔角扭曲的雙層石墨烯仍然是唯一可重復測量出堅固的超導性的石墨烯。麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原實現了魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）中的莫爾條紋超導體，其比魔角扭曲雙層石墨烯具有更好的電子結構可調性和超導性能。霍爾效應和量子振蕩作為密度和電場的函數的測量使能夠確定正常金屬狀態下系統的可調諧相界。零磁場的電阻率測量表明，超導電性的存在與每個摩爾單元格中兩個載流子出現的對稱對稱相緊密相關。超導相被抑制并限制在部分圍繞對稱對稱相的Van Hove奇異點上，這與弱耦合Bardeen-Cooper-Schriefer理論很難協調。此外，系統廣泛的原位可調性使能夠達到超強耦合狀態，其特征是Ginzburg-Landau相干長度達到了平均粒子間距離，并且非常大的TBKT/TF值超過0.1。這些觀察結果表明，MATTG可以在分頻附近被電調諧為二維Bose-Einstein冷凝物。文章結果建立了可調諧的莫爾條紋超導體系列，它們有可能徹底改變對強耦合超導性的基本理解和應用。

文獻鏈接：

Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene.

(Nature, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03192-0)

3.哈佛大學Philip Kim&Xiaomeng Liu Nature：雙螺旋雙層石墨烯中可調諧的自旋極化相關態

將晶格中電子的能量帶寬減小到遠距離庫侖相互作用能以下可促進相關效應。莫爾超晶格-通過將Vander Waals異質結構堆疊在一起并控制其扭轉角而制成-使電子能帶結構的工程化成為可能。外來量子相可以出現在工程莫爾條紋中。魔術角扭曲雙層石墨烯脂肪帶中相關的絕緣子態，超導性和量子異常霍爾效應的最新發現激發了其他莫爾系統中相關電子態的探索。范德華莫爾條紋超晶格的電子性質可以通過調節層間耦合或組成層的能帶結構來進一步調節。哈佛大學Philip Kim&Xiaomeng Liu使用雙雙層石墨烯（TDBG）的范德華力異質結構，證明了一個脂肪電子能帶，該電子能帶可以在一定的扭曲角范圍內通過垂直電場進行調諧。與魔角扭曲的雙層石墨烯相似，TDBG在半和四分之一脂肪區顯示出能隙，表明出現了相關的絕緣體狀態。這些絕緣體狀態的間隙隨著平面內磁場的增加而增加，表明鐵磁順序。摻雜半成品絕緣子時，隨著溫度降低，電阻率突然下降。這種臨界行為僅限于密度-電地平面中的一小部分，并且歸因于從正常金屬到自旋極化相關態的相變。電場可調TDBG中自旋極化相關態的發現為工程相互作用驅動的量子相提供了一條新途徑。

文獻鏈接：

Tunable spin-polarized correlated states in twisted double bilayer graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2458-7)

4.哈佛大學Philip Kim Science：交替扭曲魔角三層石墨烯中的電場可調超導

通過扭轉范德華（vdW）異質結構中的層來工程化莫爾超晶格已經發現了各種各樣的量子現象。哈佛大學Philip Kim構建了一個由三個石墨烯層組成的vdW異質結構，這些石墨烯層以交替的扭曲角±θ堆疊。在平均扭曲角θ?1.56°（理論上預測為形成平坦電子帶的魔角）下，觀察到位移場可調諧的超導性，其最大臨界溫度為2.1K。通過調整摻雜水平和位移場，作者發現超導機制與莫爾帶的極化極化一起出現，并在高位移場受到范霍夫奇異性（vHS）的限制。這個發現顯示出與弱耦合描述的不一致，這表明觀察到的莫爾超導具有非常規的性質。

文獻鏈接：

Electric field tunable superconductivity in alternating twist magic-angle trilayer graphene.

(Science, 2021, DOI:10.1126/science.abg0399)

5.加州大學伯克利分校王楓、Aaron Bostwick&首爾大學Jeil Jung Nature Physics：魔術角扭曲附近的雙層石墨烯中扁平電子帶的可視化

如果雙層石墨烯以特定的扭曲角（稱為“魔角”）堆疊，則可以預測雙層石墨烯將形成平坦分散的莫爾條紋微帶。最近，據報道具有魔術角扭曲的扭曲雙層石墨烯（tBLG）表現出相關的絕緣狀態和超導性，在該體系中，扁平微帶的存在被認為對于傳輸測量中這些有序相的出現至關重要。盡管tBLG中的隧道光譜法和電子可壓縮性測量已發現與平坦微型帶的存在一致的van Hove奇異性，但仍缺乏直接觀察tBLG中這種莫爾條紋微型帶在動量空間中平坦分散的觀察。加州大學伯克利分校王楓、Aaron Bostwick&首爾大學Jeil Jung通過使用具有納米級分辨率的角度分辨光發射光譜技術報道了這種平坦的莫爾條紋微帶的可視化。該技術的高空間分辨率使得能夠測量tBLG的局部電子結構。測量結果表明，在室溫下，tBLG的電荷中性附近存在接近于幻角的平坦的莫爾帶。

文獻鏈接：

Visualization of the flat electronic band in twisted bilayer graphene near the magic angle twist.

(Nature Physics, 2021, DOI:10.1038/s41567-020-0974-x)

6.魏茨曼科學研究院S. Ilani&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero Nature：魔角石墨烯的相變和狄拉克恢復的級聯

魔角附近扭曲的雙層石墨烯展現出豐富的電子相關物理特性，顯示出絕緣、磁性和超導相。預計該系統的電子帶在魔術角附近會明顯變窄，從而導致各種可能破壞對稱的基態。魏茨曼科學研究院S. Ilani&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero使用局部電子可壓縮性的測量結果，顯示這些相關的相位源自具有高能態且具有不正常的帶狀分布序列。當將載波添加到系統中時，對應于旋轉和谷底自由度的四個電子“偏愛”就不會平等地偏離。相反，它們是通過一系列尖銳的相變填充的，這些相變表現為摩爾紋晶格整數附近電子可壓縮性的強烈不對稱跳躍。在每次轉換時，一個自旋/谷偏向會使所有載子從其部分羽翼的同伴中移出，“重置”到電荷中性點附近。結果，在每次整數翻轉之后，在電荷中性附近觀察到的類似狄拉克的特征再次出現。化學勢附近的平面電磁場依賴性的測量揭示了很大的自發磁化強度，進一步證實了對稱破壞級聯的圖景。在遠高于超導和相關絕緣狀態開始的溫度下觀察到相變和狄拉克恢復的序列。這表明在此報道的狀態具有強烈破壞的電子偏好對稱性并恢復了Dirac狀的電子特性，在魔角石墨烯的物理學中很重要，形成了一種母態，在該母態中，脆性更高的超導和相關絕緣基態出現。

文獻鏈接：

Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic-angle graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2373-y)

7.麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原Nature：扭曲的雙層-雙層石墨烯中的可調諧相關狀態和自旋極化相

魔角雙絞線雙層石墨烯中相關絕緣體狀態和超導性的最新發現使得能夠對通過扭轉范德華異質結構實現的可調帶系統中的電子相關性進行實驗研究。這種新穎的扭曲角自由度和控制度應該可以推廣到其他二維系統，這些系統可能表現出相似的相關物理行為，并且可以使技術能夠調諧和控制電子-電子相互作用的強度。麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原報道了一個基于小角度扭曲雙層-雙層石墨烯（TBBG）的高度可調的相關系統，該系統由兩個旋轉的伯納爾堆疊的雙層石墨烯薄片組成。TBBG具有豐富的相圖，具有可調諧的相關絕緣體狀態，對扭曲角和電位移場的應用都高度敏感，電位移場可以改變貝爾納堆疊的雙層石墨烯的固有極化率。相關的絕緣體狀態可以通過莫爾單位晶格的所有整數電子翻轉處的位移場來接通和斷開。這些相關態對磁場的響應表明自旋極化的基態的證據，與魔角扭曲的雙層石墨烯形成了鮮明的對比。此外，在較低的扭曲角范圍內，TBBG在電荷中性附近顯示了多組帶，導致許多相關狀態對應于這些帶中的每一個的半翻轉，所有這些狀態也都可以通過位移場來調節。這個結果可以使人們探索多帶扭曲超晶格中扭曲角和電場控制的相關相。

文獻鏈接：

Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer-bilayer graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2260-6)

8.魏茨曼科學研究院E. Zeldov&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero Nature：映射魔角石墨烯中的扭曲角紊亂和Landau能級

最近發現的電子帶以及魔術角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中的強相關和超導相至關重要地取決于層間扭曲角θ。盡管已經證明以大約0.1度的精度控制全局θ，但是關于局部扭轉角的分布的信息很少。魏茨曼科學研究院E. Zeldov&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero使用納米級尖端掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處于量子霍爾狀態的Landau能級的斷層圖像，并繪制六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG中的局部θ變化圖。相對精度優于0.002度且空間分辨率只有幾個莫爾周期的設備。作者發現了θ紊亂程度與MATBG傳輸特性的質量之間的相關性，并表明即使是最先進的設備，在θ上也存在相當大的局部變化，最高可達0.1度，表現出明顯的梯度和跳躍網絡，可能包含沒有本地MATBG行為的區域。作者觀察到MATBG中的相關狀態相對于扭曲角異常特別脆弱。文章還證明了θ的梯度會產生大的柵極可調面內電場，即使在金屬區域也不會被屏蔽，這會通過在樣品的大部分區域中形成邊緣通道而深刻改變量子霍爾態，并且可能會影響相圖和超導狀態。因此，作者確立了θ紊亂作為一種非常規類型的紊亂的重要性，能夠將扭曲角梯度用于帶狀結構工程，實現相關現象以及用于設備應用的門可調內置平面電場。

文獻鏈接：

Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2255-3)

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