加州大學魔角扭曲雙層石墨烯最新Nature！

近年來，魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)成為工程相關現象的研究平臺，許多相關的多體相，包括傳統的和奇異的，已經在魔角扭曲雙層石墨烯中被報道。然而，與這些相關狀態相關的動力學，對于理解潛在的物理至關重要，仍然沒有被探索。電子自旋自由度和電子谷在MATBG的相圖中起著重要的作用，超導性經常出現在同位旋躍遷附近。豐富多樣的同位旋序提供了一個獨特的機會來探索電子關聯和拓撲之間的相互作用。在低溫下，MATBG中在莫爾晶胞的整數填充處報道了對稱性破缺的同位旋相。它們的確切性質正在積極研究中，候選序包括多種類型的自旋和谷極化態以及IVC態。在T > 5 K的高溫下，長程同位旋序預計會熔化。在可壓縮性和化學勢測量中，發現在整數填充附近的級聯特征可以持續到幾十開爾文。這種令人費解的行為通常被解釋為低溫同位旋序的母體相關狀態的標志，這是由于短程同位旋相關而產生的。

這些發現提出的一個重要問題是同位旋序對系統動力學的影響。有人提出，同位旋軟模式可以為超導性提供配對膠，并有助于在高溫下輸運時產生較大的電子熵。然而，同位旋序通常具有難以耦合的奇異序參數，使得磁化率測量具有挑戰性。非平衡動力學為探索這一物理現象提供了一個有希望的替代途徑。通過考察同位旋序與集體激勵阻尼之間的瞬態動力學，可以在不直接耦合序參數的情況下，獲得能量格局的平坦性和軟同位旋模的關鍵特性。然而，由于缺乏合適的超快探針，平帶石墨烯體系的同位旋動力學仍未在實驗中得到探索。現有的技術如時間分辨光電壓只對電子溫度敏感，而對同位旋自由度不敏感。

近日，加州大學圣塔巴巴拉分校金辰皓教授團隊等人在Nature上發表了題為“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”的文章，該項研究結合激子傳感和光泵浦探測光譜來研究MATBG體系的同位自旋序，對WSe₂載體上的MATBG在穿過整個平臺的過程中的自旋序變化情況進行表征，分辨率可達到亞皮秒。觀測發現，在比較寬的填充范圍內（ν?=?2以及ν?=??3 ~?2之間），同位自旋序基本上不變，壽命高達300 ps，與電子溫度更快的冷卻(約10 ps)分離。自旋序的這種非熱力學行為表明同位自旋自由度存在異常的長壽命模式。這個發現是理論并沒有預料到的現象，這說明MATBG中有可能存在一種集體形式的長程自旋傳播模式，以及強烈的同位自旋波動以及記憶效應，這些效應有可能與谷間相干態或者理論上的非公度Kekulé螺旋序有關。此外，該項研究進一步證明了先前在整數填充周圍發現的同位旋序的非平衡控制。具體來說，通過超快操作，它可以暫時遠離整數填充。該項研究展示了MATBG中集體激勵的獨特探索，并為主動控制摩爾系統中的非平衡現象鋪平了道路。

圖1 MATBG中同位旋序和動力學的激子傳感? 2024 Springer Nature

圖2 MATBG中的填充依賴動力學? 2024 Springer Nature

圖3電荷與同位旋動力學之間的解耦? 2024 Springer Nature

圖4級聯特性的超快操作? 2024 Springer Nature

將該研究方法擴展到其他平面帶石墨烯系統是很自然的，包括莫爾石墨烯和非莫爾石墨烯。這樣做將有助于進一步解釋準粒子壽命、集體激發和相關階數之間的聯系。除了同位旋動力學外，該項研究確定的載流子弛豫動力學和填充依賴的聲子瓶頸為MATBG中電子-聲子耦合強度和電子-空穴不對稱性提供了直接測量。創建瞬態非熱載流子分布和相關階數的能力為超快控制先前研究的相關態和創建新的有序態提供了機會。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07880-5