NaturePhysics|科學(xué)家揭示石墨烯扭曲體系中無(wú)能隙向列半金屬基態(tài)

研究背景

　　平帶莫爾石墨烯體系（Moiré graphene systems）因其能夠提供強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)相與高實(shí)驗(yàn)可調(diào)性的特點(diǎn)，成為了研究量子材料和相互作用機(jī)制的重要平臺(tái)。這些材料為探索相互作用量子材料的機(jī)制和起源提供了可控的窗口，尤其在電子、光學(xué)及超導(dǎo)等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)的石墨烯材料相比，莫爾石墨烯體系具有平帶結(jié)構(gòu)，在特定的扭曲角度下形成平坦的能帶，從而引發(fā)強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，如非常規(guī)超導(dǎo)性和關(guān)聯(lián)絕緣性。然而，盡管在理論和實(shí)驗(yàn)研究中取得了許多進(jìn)展，莫爾石墨烯體系仍存在許多未解之謎，尤其是在電荷中性點(diǎn)（CNP）處的基態(tài)識(shí)別上。如何區(qū)分不同的相，特別是在 CNP 處的相，是當(dāng)前研究中的一大挑戰(zhàn)。

研究?jī)?nèi)容

　　有鑒于此，以色列魏茨曼科學(xué)研究所（Weizmann Institute of Science）Matan Bocarsly, Indranil Roy, Vishal Bhardwaj，Eli Zeldov等在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Coulomb interactions and migrating Dirac cones imaged by local quantum oscillations in twisted graphene”的論文。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)和制備交替扭轉(zhuǎn)三層石墨烯（tTLG），實(shí)現(xiàn)了對(duì)平帶體系中庫(kù)侖相互作用及其對(duì)稱(chēng)性破缺的深度探測(cè)。利用低場(chǎng)局部量子振蕩技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)成功地探測(cè)到了 tTLG 中的量子振蕩現(xiàn)象，揭示了由于庫(kù)侖相互作用導(dǎo)致的能帶重整化及對(duì)稱(chēng)性破缺的細(xì)節(jié)。在半填充導(dǎo)帶平帶時(shí)，團(tuán)隊(duì)觀察到自發(fā)的味道對(duì)稱(chēng)性破缺，表明該相是由 Stoner 極化機(jī)制驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性破缺相，是 MATBG 體系中廣泛存在的關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的母相。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，在 CNP 附近，系統(tǒng)進(jìn)入了一種由交換相互作用驅(qū)動(dòng)的向列半金屬（NSM）基態(tài)，且這一相自發(fā)打破了三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。研究表明，即便是少量的異質(zhì)應(yīng)變也能夠使這一向列半金屬相在能量上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，為解釋 MATBG 系統(tǒng)中 CNP 處無(wú)法觀察到能隙的長(zhǎng)期謎題提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　該研究顯著提高了對(duì)平帶莫爾石墨烯體系中關(guān)聯(lián)物理的理解，特別是在電荷中性點(diǎn)附近的基態(tài)探索方面，突破了傳統(tǒng)輸運(yùn)測(cè)量方法的局限性，為未來(lái)研究更多強(qiáng)關(guān)聯(lián)范德華體系的基態(tài)性質(zhì)提供了新的實(shí)驗(yàn)手段和理論依據(jù)。

圖文導(dǎo)讀

　　1.實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)局部熱力學(xué) de Haas–van Alphen 量子振蕩（QOs）技術(shù)探測(cè)了交替扭轉(zhuǎn)三層石墨烯（tTLG）中的能帶結(jié)構(gòu)，獲得了狄拉克部分的量子振蕩數(shù)據(jù)，成功探測(cè)到低至 56 mT 的磁場(chǎng)下的量子效應(yīng)。

　　2.實(shí)驗(yàn)通過(guò)掃描超導(dǎo)量子干涉裝置（SOT）成像，并結(jié)合自洽 Hartree 計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了由庫(kù)侖排斥作用引起的平帶色散重整化，證實(shí)了庫(kù)侖相互作用在平帶物理中的重要作用。

　　3.在導(dǎo)帶平帶半填充時(shí)，觀察到自發(fā)的味道對(duì)稱(chēng)性破缺，進(jìn)一步推測(cè)了 Stoner 極化的對(duì)稱(chēng)性破缺相是 MATBG 中普遍存在的關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的母相。

　　4.在電荷中性點(diǎn)（CNP）附近，發(fā)現(xiàn)該基態(tài)為交換相互作用驅(qū)動(dòng)的向列半金屬（NSM），并自發(fā)打破 C3 對(duì)稱(chēng)性。這一發(fā)現(xiàn)為理解 MATBG 中 CNP 處的無(wú)能隙狀態(tài)提供了新的理論依據(jù)。

　　5.通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了異質(zhì)應(yīng)變對(duì)這一半金屬相的能量穩(wěn)定性影響，表明異質(zhì)應(yīng)變可以使該相在能量上變得更加有利。

　　6.本研究為探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)范德華體系的基態(tài)提供了新的實(shí)驗(yàn)手段，并為解決電荷中性點(diǎn)處相變的長(zhǎng)期難題提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖 1| 交替轉(zhuǎn)角石墨烯alternating-twist trilayer graphene，tTLG中的傳輸測(cè)量。

圖 2| 狄拉克Dirac 朗道能級(jí)Landau levels，LLS和Hartree相互作用成像。

圖 3| ν=2時(shí)的對(duì)稱(chēng)破缺。

圖 4| 位移場(chǎng)相關(guān)性和Hartree–Fock，HF計(jì)算。

結(jié)論展望

　　本文的研究提供了關(guān)于強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系基態(tài)的新見(jiàn)解，特別是通過(guò)低磁場(chǎng)熱力學(xué)量子振蕩技術(shù)揭示了CNP處無(wú)能隙的向列半金屬（NSM）相的存在。這一發(fā)現(xiàn)表明，異質(zhì)應(yīng)變對(duì)NSM態(tài)的穩(wěn)定性具有重要作用，尤其在石墨烯扭曲體系中，微小的應(yīng)變變化可能導(dǎo)致從其他有能隙相到NSM態(tài)的轉(zhuǎn)變。此外，研究還表明，斯通納極化態(tài)是相關(guān)絕緣態(tài)出現(xiàn)的母態(tài)，揭示了斯通納轉(zhuǎn)變?cè)诓煌畛淝闆r下的普適性。通過(guò)熱力學(xué)QOs，本文有效地區(qū)分了高摻雜與低摻雜下的相互作用效應(yīng)，為研究復(fù)雜相互作用的系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)工具。該技術(shù)不僅能深入理解石墨烯等體系的多體相互作用，也為其他沒(méi)有Dirac錐的范德華材料體系的研究提供了新的思路。未來(lái)，研究人員可以通過(guò)引入大角度扭曲的單層石墨烯，進(jìn)一步探索不同范德華體系中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，推動(dòng)新型量子材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

　　來(lái)源：低維材料前沿