麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，可以簡單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，打開了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門，該成果以“背靠背”形式刊登在Nature官網(wǎng)上。

 Nature：在魔角石墨烯超晶格中半填充時(shí)的相關(guān)絕緣體行為

【引言】

范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)是二元構(gòu)筑單元垂直堆疊而成，在二維材料豐富的功能性基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)更多的工程化操縱。其中一個(gè)方向，就是通過控制層間扭曲角度，來調(diào)控范德華異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。到目前為止，關(guān)于扭曲角度在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中效應(yīng)的研究主要集中在石墨烯/六方氮化硼扭曲結(jié)構(gòu)中，由于在六方氮化硼中存在大帶隙，其表現(xiàn)出相對(duì)較弱的層間相互作用。

【成果簡介】

近日，在美國麻省理工學(xué)院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)和曹原（第一作者）的帶領(lǐng)下，與美國哈佛大學(xué)，日本國立材料科學(xué)研究所合作，報(bào)道了當(dāng)兩個(gè)石墨烯片材扭曲接近理論預(yù)測的“魔角”時(shí)，由于強(qiáng)的層間耦合，產(chǎn)生的電荷中性附近的能帶結(jié)構(gòu)變得平坦。這些扁平帶在半填充時(shí)表現(xiàn)出絕緣狀態(tài)，產(chǎn)生的新電子態(tài)是Mott絕緣體態(tài)，來源于電子之間的強(qiáng)排斥作用。魔角扭曲雙層石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)可能為無磁場的二維平臺(tái)上的多體量子相位開啟新的運(yùn)動(dòng)場。相關(guān)成果以題為“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”發(fā)表在了Nature上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 扭曲雙層石墨烯中的電子能帶結(jié)構(gòu)

（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(jié)構(gòu)；

（d）MBZ由來自兩層的兩個(gè)K（K'）波矢量之間的差異構(gòu)成；

（e-g）不同夾層層間雜交效果圖；

（h）計(jì)算1.08°時(shí)E> 0的平帶的局部態(tài)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(dǎo)

（a）用1.08°測量魔角TwBLG器件D1的電導(dǎo)，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(gè)HFIP的最小電導(dǎo)值；

（c，d）分別在p側(cè)和n側(cè)HFIP附近，D1的溫度依賴性電導(dǎo)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(lán)色線）和2 K（粉色線）處的電容測量；

（b）從溫度相關(guān)的SdH振蕩中提取的有效質(zhì)量m^*和振蕩頻率fSdH；

（c）在4.5K至120K的不同溫度下，D1的電導(dǎo)與柵極的相關(guān)性；

（d）TwBLG中E> 0平帶分支的帶寬W與不同扭轉(zhuǎn)角的現(xiàn)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(cè)和n側(cè)，D1的HFIP電導(dǎo)的B_⊥依賴性；

（c）不同磁場下p側(cè)HFIP電導(dǎo)的阿侖尼烏斯曲線圖；

（d-f）不同狀態(tài)圖（DOS）的密度

【小結(jié)】

該團(tuán)隊(duì)的研究表明，石墨烯可以通過范德華工程轉(zhuǎn)化為平衡帶系統(tǒng)，其中相關(guān)效應(yīng)起著基礎(chǔ)性作用。魔角TwBLG為研究Mott絕緣體態(tài)提供了一個(gè)新的平臺(tái)，它可以提供對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的洞察力，特別是高溫超導(dǎo)性。三角形晶格上的自旋和谷結(jié)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(xiàn)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(guī)超導(dǎo)性

【引言】

數(shù)十年來，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的行為令物理學(xué)家感到困惑，特別是非常規(guī)超導(dǎo)體的行為。這種困難激發(fā)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(xué)院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）和曹原（第一作者）團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，與美國哈佛大學(xué)，日本國立材料科學(xué)研究所合作，報(bào)道了堆疊具有小扭曲角的兩個(gè)石墨烯片中二維超晶格，產(chǎn)生一種全新的電子態(tài)——超導(dǎo)態(tài)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小到魔角時(shí)（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會(huì)形成窄電子能帶，電子相互作用效應(yīng)增項(xiàng)，從而產(chǎn)生非導(dǎo)電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。相關(guān)成果以題為“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”發(fā)表在了Nature上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 石墨烯超晶格中的2D超導(dǎo)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(gè)器件M1和M2中測量四探針電阻Rxx = Vxx/I ，其中扭轉(zhuǎn)角分別為θ= 1.16°和θ= 1.05°。插圖是設(shè)備M1的圖像；

（c）在超晶格的第一個(gè)小布里淵區(qū)（MBZ）中，TBG在θ= 1.05°處的能帶結(jié)構(gòu)；

（d）（c）所示帶的狀態(tài)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(diào)諧超導(dǎo)性

（a）在零磁場（紅色線）和B_⊥= 0.4 T（藍(lán)色線）的垂直場中測得的器件M1的雙探針G2電導(dǎo)；

（b）在（a）中由粉紅色虛線包圍的區(qū)域?qū)?yīng)的密度下測得的四探針電阻Rxx與溫度的關(guān)系；

（c）在裝置M2中粉紅色虛線包圍的區(qū)域?qū)?yīng)的密度下測得的四探針電阻Rxx與溫度的關(guān)系。

圖3 石墨烯超晶格中超導(dǎo)態(tài)的磁場響應(yīng)

（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(shù)；

（c）器件M2測量的不同B_⊥值的差分電阻dV_xx/dI與直流偏置電流I的關(guān)系；

（d）器件M1測量的不同B_⊥值的R_xx-T曲線；

（e）器件M1的垂直和平行臨界磁場與溫度的關(guān)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B_perp = 8T下測量的不同密度的器件M1的R_xx-T曲線；

（d-f）（a-c）中對(duì)應(yīng)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R_xx和B_⊥的關(guān)系；

（b）（a）中由A，B和C標(biāo)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(shù)提取的SdH振蕩頻率和有效質(zhì)量。

圖6 石墨烯超晶格在強(qiáng)耦合極限中的超導(dǎo)性

【小結(jié)】

石墨烯超晶格中非常規(guī)超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)將石墨烯超晶格建立為一個(gè)用于研究相關(guān)電子物理的相對(duì)簡單的，可訪問和高度可調(diào)的平臺(tái)。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(jìn)一步微調(diào)。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(jié)構(gòu)以引起垂直方向上的Jospehson耦合，T_c可以進(jìn)一步增強(qiáng)。類似的魔角超晶格和平帶電子結(jié)構(gòu)也可以用其他二維材料或晶格來實(shí)現(xiàn)，以研究具有不同屬性的強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)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(guī)超導(dǎo)性

【引言】

由兩片石墨烯制成的簡單系統(tǒng)已經(jīng)從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。這一發(fā)現(xiàn)有望開啟對(duì)超導(dǎo)電性的非傳統(tǒng)形式的研究。

【成果簡介】

近日，美國賓夕法尼亞大學(xué)Eugene J. Mele教授評(píng)述了麻省理工學(xué)院曹原博士的成果，評(píng)說他們制備了旋轉(zhuǎn)扭曲的雙層石墨烯，通過電子之間的相互作用來控制整個(gè)體系的電子態(tài)。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位錯(cuò)使石墨烯層中的電子能帶結(jié)構(gòu)不再對(duì)齊，單胞變大。研究發(fā)現(xiàn)，堆疊的雙層石墨烯中，電學(xué)行為對(duì)原子排列非常敏感，影響層間電子移動(dòng)。相關(guān)評(píng)述以題為“Novel electronic states seen in graphene”發(fā)表在了Nature上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 不同角度扭曲的雙層石墨烯

（a）當(dāng)石墨烯雙層被扭曲使得頂層片材與下層片材不對(duì)齊時(shí)，單位晶胞變大； 

（b）對(duì)于小旋轉(zhuǎn)角度，產(chǎn)生“莫爾條紋”圖案，其中局部堆疊布置周期性變化。 

【小結(jié)】

這一發(fā)現(xiàn)表明，扭曲的雙層石墨烯可作為一個(gè)靈活和可調(diào)諧的平臺(tái)，其中相關(guān)的電子現(xiàn)象可以很容易觀察到，甚至可能被設(shè)計(jì)和開發(fā)。這項(xiàng)工作為研究非常規(guī)超導(dǎo)性提供了一種有前途的方法。

文獻(xiàn)鏈接：Novel electronic states seen in graphene（Nature, 2018, DOI: 10.1038/d41586-018-02660-4）