2018年，MIT物理學(xué)家Pablo Jarillo-Herrero帶領(lǐng)他的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一個(gè)全新的發(fā)現(xiàn)，把石墨烯推向了新的發(fā)展高度。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)單層石墨烯片以1.1°左右的特定旋轉(zhuǎn)角度垂直堆疊時(shí)，可以在原子尺度設(shè)計(jì)得到莫爾條紋，實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體之間的轉(zhuǎn)變，這為高溫超導(dǎo)的研究帶來(lái)了新的曙光。

這之后，二維材料都跳起了秧歌舞，扭一扭就能上天，一時(shí)間風(fēng)起云涌，無(wú)數(shù)英雄競(jìng)折腰。但是，背后的機(jī)理，一直不為人知。通過(guò)對(duì)自由電子的觀測(cè)圖像，科學(xué)家可以定性地理解單層石墨烯的許多性質(zhì)，譬如能量和電子動(dòng)量之間的關(guān)系，幾乎與周圍電子的密度無(wú)關(guān)，這時(shí)候電子之間的排斥作用是忽略的。而扭曲的雙層石墨烯在“魔性”的旋轉(zhuǎn)角度的情況卻變得非常不同。在魔角旋轉(zhuǎn)的情況下，電子占據(jù)平帶，能級(jí)能量?jī)H隨電子動(dòng)量微弱變化。由于平帶的能量范圍很小，電子之間的相互作用不再是微弱的擾動(dòng)，系統(tǒng)的物理性質(zhì)主要取決于電子密度。這種相互作用甚至?xí)饐螌邮┲锌床坏降南?，譬如在高溫超?dǎo)的情況下，增加或減少電子密度會(huì)抑制絕緣行為并產(chǎn)生超導(dǎo)相（電子以零電阻傳輸）。

這些基于電導(dǎo)率的觀測(cè)清晰地確定了相互作用引起的絕緣和超導(dǎo)相的存在。然而，更微觀的性質(zhì)依然如上古之謎，不甚明了。

今日，Nature連發(fā)3篇研究論文，并配了1篇NEWS AND VIEWS的專業(yè)解讀，加上arXiv預(yù)印本上早先的一篇文章，4個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立地運(yùn)用譜學(xué)技術(shù)對(duì)魔角石墨烯的特殊行為進(jìn)行了闡述。

4個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都是使用掃描隧道顯微鏡（STM）來(lái)測(cè)量原子級(jí)結(jié)構(gòu)和電子能量分布。其基本原理為：STM的導(dǎo)電針尖掃描樣品，根據(jù)所施加的電壓是正還是負(fù)，電子從針尖遂穿到樣品，或者從樣品遂穿到針尖，所得到的電流隨針尖位置的變化對(duì)樣品的形貌進(jìn)行編碼。電流隨電壓變化，代表了樣品狀態(tài)局部密度——在給定能量下電子可以占據(jù)的量子態(tài)數(shù)量。

利用STM技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)使魔角石墨烯中的莫爾條紋變得可視化，從而可以通過(guò)觀察不同方向的條紋間距的變化來(lái)量化系統(tǒng)中的應(yīng)變量。該方法還揭示了由兩個(gè)單層石墨烯片的耦合產(chǎn)生的碳原子的空間重排。這些細(xì)節(jié)對(duì)于精確理解電子能帶結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，也是精確建模絕緣和超導(dǎo)相必不可少的第一步。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，態(tài)密度和有多少電子占據(jù)扁平帶緊密相關(guān)，該結(jié)果直接展示出系統(tǒng)中電子之間相關(guān)性的重要性。特別重要的是，在低能量情況下，態(tài)密度受到電子濃度有關(guān)的抑制，這一發(fā)現(xiàn)確立了電子特性與電子傳輸之間的直接聯(lián)系。

哈佛大學(xué)Mathias S. Scheurer教授指出，這四組研究數(shù)據(jù)中有三個(gè)主要差異，值得大家關(guān)注。

1.Jiang等人在完全填充或空平帶的態(tài)密度中僅觀察到單個(gè)峰值，而其他團(tuán)隊(duì)看到兩個(gè)峰值。在扭曲的雙層石墨烯的常用理論模型中，預(yù)期有兩個(gè)峰，造成這種差異的原因尚不清楚。一種可能的解釋是，接近魔角，態(tài)密度對(duì)樣品制備過(guò)程中可能發(fā)生的擾動(dòng)高度敏感。

2.在獲得兩個(gè)峰值的三組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)部分填充扁平帶時(shí)，Xie等人看到了最顯著的電子相關(guān)性影響，他們不僅發(fā)現(xiàn)具有部分占據(jù)電子態(tài)的峰形成了類似間隙的特征，也發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)峰值變得非常扭曲。

3.各種研究中，不同電子濃度對(duì)雙層系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的破壞尤為突出：與絕緣體相關(guān)的濃度；電荷中性點(diǎn)附近的濃度，其中一半平帶填充；平帶部分填充的任何濃度。這種增強(qiáng)的對(duì)稱性破壞很可能源于電子，因?yàn)槠浯笮∪Q于系統(tǒng)中電子的密度。but，who knows?

總之，這四篇論文表明，STM測(cè)量魔角扭曲的雙層石墨烯可以為對(duì)稱性破壞和電子相關(guān)性的局部效應(yīng)提供有價(jià)值的見(jiàn)解，并未未來(lái)的STM研究提出許多直接的開(kāi)放性問(wèn)題。不同群體的調(diào)查結(jié)果之間存在差異的原因是什么？觀察到的哪些現(xiàn)象是扭曲的雙層石墨烯的固有特征，它們對(duì)擾動(dòng)很穩(wěn)定，還是更脆弱？

這個(gè)年輕而富有活力的研究領(lǐng)域充滿了令人興奮的驚喜等待被發(fā)現(xiàn)，譜學(xué)技術(shù)將繼續(xù)在這一領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并可能成為強(qiáng)相關(guān)物理論的通用測(cè)試平臺(tái)。

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