天才少年曹原，再添一篇Nature

小胖紙 2年前 (2021-04-05) 1924瀏覽

【背景介紹】

在具有平坦電子帶的凝聚態系統中，電子間的庫侖相互作用很容易超過它們的動能，從而產生各種奇異的量子相，例如Mott絕緣體和Wigner晶體等。在這種狀態下，電子可能會自發地自排序，以使總庫侖能最小化，但是會增加它們的動能而導致某些對稱性的破壞。這種破碎的對稱狀態可在相對較高的能量范圍內發生，并且作為較低能量范圍內出現的相（如超導等）的母態。此外，當系統中存在非平凡的拓撲結構時，強關聯和潛在拓撲結構之間的相互作用可能導致物質出現新相。理解其內在的物理機制，可以指導設計下一代強關聯性拓撲量子材料。眾所周知，魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）是一種研究高度可調的平帶系統中相互作用驅動現象的獨特平臺。當兩層單層石墨烯（MLG）以θ=1.1o的小扭曲角堆疊時，moiré超晶格中的層間雜化使Fermi速度重新標準化，并在低能下產生平坦帶。在這種情況下，超導電性和量子反常霍爾效應等大量的奇異關聯性和拓撲現象被實驗證實。同時，掃描隧道和單電子晶體管實驗直接證明了庫侖誘導的相變破壞自旋/谷對稱性的重要性。雖然在實驗和理論上取得實質性的進展，但是破壞對稱態的微觀圖像及其與相關相和超導電性的可能聯系還需要進一步的研究。

【成果簡介】

近日，美國麻省理工學院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero和曹原（共同通訊作者）等人報道了他們通過同時進行熱力學和輸運測量，研究了魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的破碎對稱多體基態及其非平凡的拓撲結構。作者直接觀察到偏愛對稱性破裂是moiré超晶格所有整數中化學勢的釘扎效應，表明了在多體基態中偏愛Hund耦合的重要性。在打破時間反轉對稱性后，基本平坦帶的拓撲性質就表現出來，因此作者測量了在填充因子分別為1、2、3時Chern數分別為3、2、1的Chern絕緣子狀態相對應的能隙，打破了MATBG的Hofstadter蝴蝶光譜。此外，作者還同時測量電阻率和化學勢可提供奇異金屬狀態下MATBG隨溫度變化的電荷擴散性，而之前的報道僅在超冷原子中探索了該量。該研究工作使我們更接近于一個無框架的框架，而該框架可以理解有無磁場的MATBG拓撲帶中的相互作用。研究成果以題為“Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene”發布在國際著名期刊Nature上。

【圖文解讀】

圖一、器件結構和化學勢測量演示
（a）測量技術示意圖;

（b）異質結構的能帶圖，顯示MATBG（μMATBG）和MLG（μMLG）的化學勢、背柵電壓Vbg和頂柵電壓Vtg與靜電勢降V0、V1和V2間的關系；

（c）MLG的傳輸特性，顯示一個相對于MLG載流子密度nMLG的尖銳電阻峰，半峰全寬小于3×109 cm-2；

（d）MATBG的運輸特征；

（e-f）MLG和MATBG電阻的組合圖，由紫色和橙色色標表示，并覆蓋在相同的軸上。

圖二、MATBG的化學勢與溫度和面內磁場的關系
（a）使用MLG的CNP感應MATBG的化學勢；

（b）評估具有各種庫侖排斥能U和交換能J的化學勢的平均場，以單粒子帶寬W=1為單位；

（c）在ν=1時，相互作用驅動的化學勢穩定的圖解；

（d）利用MLG CNP探測到的MATBG從T=2 K到T=70 K的化學勢的溫度依賴性；

（e）在N=1 MLG Landau能級下，在T=4 K和B⊥=0.7 T時MATBG的化學勢與平面磁場B′的關系；

（f）放大后的化學勢和傳輸阻力放大以進行比較，其中ν=+1、+2。

圖三、在垂直磁場中探測MATBG的相關Chern帶隙
（a-b）MATBG中在0-6 T范圍內的化學勢相對于ν的實驗和模擬；

（c）扭曲雙層石墨烯（TBG）的Hofstadter蝴蝶光譜，每單位晶胞的通量為?0/2；

（d）利用通量為?0/6的庫侖排斥和交換相互作用的均場模型計算的TBG的總Chern數。

圖四、奇異金屬狀態下MATBG的電阻率、電子壓縮率和擴散率
（a-b）MATBG相對于ν和T的電阻率和反電子壓縮率χ-1=dμ/dn；

（c）在相關狀態周圍的一系列密度范圍內的電阻率-溫度線性行為，而斜率對ν的依賴性很小；

（d）χ-1的線切割對T的依賴性不大；

（e）有效擴散率D*=χ-1/[e2(ρ-ρ0)]，其中ρ0是通過擬合T線性范圍并外推到T=0獲得；

（f）1/D*顯示線性趨勢是T的函數。

文獻鏈接：Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene. Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03366-w.

本文由CQR編譯。

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