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能刷爆NS的多层转角石墨烯,可不止是曹原一家
2021-02-20 00:00:00   来源:材料牛(石墨烯)   评论:0 点击:

牛年的最后一个休息日,大部分社畜还沉浸在假期即将结束的悲痛中...与此同时,年度NS钉子户转角石墨烯,它它它又来了,这一次还是Nature的封面。

这篇文章并没有在微信公众号上刷出大水花,一部分原因是它并不出自魔角石墨烯天才少年曹原,而是来自巴西米纳斯联邦大学的Ado Jorio和美国琼森·罗兰科学中心的Vincent Meunier。

事实上,全球范围内从事石墨烯转角研究的科学家是很多的,远远不止曹原和他的老板Pablo Jarillo-Herrero。远的不说,咱们复旦大学物理系的张远波教授也研究过这个。

在这篇文章里面,我们就来唠唠啥是转角石墨烯,全球范围内有哪些大家在搞这个。

啥是转角石墨烯?

石墨烯转角属于一个新兴的研究领域——twistronics(从名字上看出来这货是扭曲和电子,俩英文单词的结合)。简单说来,当二维材料片发生扭曲时,这种扭曲会使材料的一些物理行为发生巨大的改变。这里的物理行为包括高温超导、非线性光学和结构超润滑性等等。

曹原因为做出了转角约为1.08o的双层转角石墨烯,在Nature上发表了2篇背靠背的论文而备受关注。而那个神奇的1.08o也被称为魔角。所以说,魔角石墨烯的研究是转角石墨烯研究的一部分。

事实上,因为这个领域的研究十分火爆,顶刊上的研究成果更迭是非常地迅速。除了双层转角石墨烯被做出来以外,三层、四层的转角石墨烯也是有的。世界上从事这个领域研究的科学家很多,他们也应该像曹原一样被中国的科研群众所认识:Harvard大学的Philip Kim、UC Berckley的王枫教授等等。

1.巴西米纳斯联邦大学Ado Jorio&美国琼森·罗兰科学中心Vincent Meunier Nature:低角度扭曲双层石墨烯中晶格动力学的局域化

扭曲的双层石墨烯是通过使双层石墨烯中的两个晶体网络彼此相对旋转而产生的。对于较小的扭曲角,材料会经历自组织的晶格重构,从而导致形成周期性重复的畴。产生的超晶格调节材料中的振动和电子结构,从而导致电子-声子耦合行为发生变化,并观察到强相关性和超导电性。但是,深入了解这些调制并了解相关效果具有挑战性,因为对于实验技术而言,调制量太小,无法准确地解析相关的能级,而对于理论模型而言,调制量太大,无法正确地描述局部效应。

巴西米纳斯联邦大学Ado Jorio&美国琼森·罗兰科学中心Vincent Meunier报道由纳米拉曼分光镜产生的高光谱光学图像,该图像是重构的(低角度)扭曲双层石墨烯中的晶体超晶格。纳米拉曼技术使用可见光观察晶体结构成为可能,该技术揭示了晶格动力学的局部化,并且存在应变孤子和拓扑点,导致可检测的光谱变化。通过原子模型可以使结果合理化,该模型可以评估超晶格的电子状态和振动状态的局部密度。该评估突出了孤子和拓扑点与结构的振动和电子特性的相关性,尤其是对于较小的扭曲角。这个结果是迈向了解原子和纳米尺度上与声子相关的效应(例如Jahn-Teller效应和库珀电子配对)的重要一步,并且可能会在扭转旋翼技术迅猛发展的背景下帮助改善器件的特性。

文献链接:

Localization of lattice dynamics in low-angle twisted bilayer graphene.

(Nature, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03252-5)

2.麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原Nature:魔角扭曲三层石墨烯中可调谐的强耦合超导

莫尔超晶格最近已经成为一个平台,可以在此平台上以前所未有的可调性研究相关的物理学和超导性。尽管在其他几种莫尔条纹系统中也观察到了相关的效应,但魔角扭曲的双层石墨烯仍然是唯一可重复测量出坚固的超导性的石墨烯。麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原实现了魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)中的莫尔条纹超导体,其比魔角扭曲双层石墨烯具有更好的电子结构可调性和超导性能。霍尔效应和量子振荡作为密度和电场的函数的测量使能够确定正常金属状态下系统的可调谐相界。零磁场的电阻率测量表明,超导电性的存在与每个摩尔单元格中两个载流子出现的对称对称相紧密相关。超导相被抑制并限制在部分围绕对称对称相的Van Hove奇异点上,这与弱耦合Bardeen-Cooper-Schriefer理论很难协调。此外,系统广泛的原位可调性使能够达到超强耦合状态,其特征是Ginzburg-Landau相干长度达到了平均粒子间距离,并且非常大的TBKT/TF值超过0.1。这些观察结果表明,MATTG可以在分频附近被电调谐为二维Bose-Einstein冷凝物。文章结果建立了可调谐的莫尔条纹超导体系列,它们有可能彻底改变对强耦合超导性的基本理解和应用。

文献链接:

Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene.

(Nature, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03192-0)

3.哈佛大学Philip Kim&Xiaomeng Liu Nature:双螺旋双层石墨烯中可调谐的自旋极化相关态

将晶格中电子的能量带宽减小到远距离库仑相互作用能以下可促进相关效应。莫尔超晶格-通过将Vander Waals异质结构堆叠在一起并控制其扭转角而制成-使电子能带结构的工程化成为可能。外来量子相可以出现在工程莫尔条纹中。魔术角扭曲双层石墨烯脂肪带中相关的绝缘子态,超导性和量子异常霍尔效应的最新发现激发了其他莫尔系统中相关电子态的探索。范德华莫尔条纹超晶格的电子性质可以通过调节层间耦合或组成层的能带结构来进一步调节。哈佛大学Philip Kim&Xiaomeng Liu使用双双层石墨烯(TDBG)的范德华力异质结构,证明了一个脂肪电子能带,该电子能带可以在一定的扭曲角范围内通过垂直电场进行调谐。与魔角扭曲的双层石墨烯相似,TDBG在半和四分之一脂肪区显示出能隙,表明出现了相关的绝缘体状态。这些绝缘体状态的间隙随着平面内磁场的增加而增加,表明铁磁顺序。掺杂半成品绝缘子时,随着温度降低,电阻率突然下降。这种临界行为仅限于密度-电地平面中的一小部分,并且归因于从正常金属到自旋极化相关态的相变。电场可调TDBG中自旋极化相关态的发现为工程相互作用驱动的量子相提供了一条新途径。

文献链接:

Tunable spin-polarized correlated states in twisted double bilayer graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2458-7)

4.哈佛大学Philip Kim Science:交替扭曲魔角三层石墨烯中的电场可调超导

通过扭转范德华(vdW)异质结构中的层来工程化莫尔超晶格已经发现了各种各样的量子现象。哈佛大学Philip Kim构建了一个由三个石墨烯层组成的vdW异质结构,这些石墨烯层以交替的扭曲角±θ堆叠。在平均扭曲角θ?1.56°(理论上预测为形成平坦电子带的魔角)下,观察到位移场可调谐的超导性,其最大临界温度为2.1K。通过调整掺杂水平和位移场,作者发现超导机制与莫尔带的极化极化一起出现,并在高位移场受到范霍夫奇异性(vHS)的限制。这个发现显示出与弱耦合描述的不一致,这表明观察到的莫尔超导具有非常规的性质。

文献链接:

Electric field tunable superconductivity in alternating twist magic-angle trilayer graphene.

(Science, 2021, DOI:10.1126/science.abg0399)

5.加州大学伯克利分校王枫、Aaron Bostwick&首尔大学Jeil Jung Nature Physics:魔术角扭曲附近的双层石墨烯中扁平电子带的可视化

如果双层石墨烯以特定的扭曲角(称为“魔角”)堆叠,则可以预测双层石墨烯将形成平坦分散的莫尔条纹微带。最近,据报道具有魔术角扭曲的扭曲双层石墨烯(tBLG)表现出相关的绝缘状态和超导性,在该体系中,扁平微带的存在被认为对于传输测量中这些有序相的出现至关重要。尽管tBLG中的隧道光谱法和电子可压缩性测量已发现与平坦微型带的存在一致的van Hove奇异性,但仍缺乏直接观察tBLG中这种莫尔条纹微型带在动量空间中平坦分散的观察。加州大学伯克利分校王枫、Aaron Bostwick&首尔大学Jeil Jung通过使用具有纳米级分辨率的角度分辨光发射光谱技术报道了这种平坦的莫尔条纹微带的可视化。该技术的高空间分辨率使得能够测量tBLG的局部电子结构。测量结果表明,在室温下,tBLG的电荷中性附近存在接近于幻角的平坦的莫尔带。

文献链接:

Visualization of the flat electronic band in twisted bilayer graphene near the magic angle twist.

(Nature Physics, 2021, DOI:10.1038/s41567-020-0974-x)

6.魏茨曼科学研究院S. Ilani&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero Nature:魔角石墨烯的相变和狄拉克恢复的级联

魔角附近扭曲的双层石墨烯展现出丰富的电子相关物理特性,显示出绝缘、磁性和超导相。预计该系统的电子带在魔术角附近会明显变窄,从而导致各种可能破坏对称的基态。魏茨曼科学研究院S. Ilani&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero使用局部电子可压缩性的测量结果,显示这些相关的相位源自具有高能态且具有不正常的带状分布序列。当将载波添加到系统中时,对应于旋转和谷底自由度的四个电子“偏爱”就不会平等地偏离。相反,它们是通过一系列尖锐的相变填充的,这些相变表现为摩尔纹晶格整数附近电子可压缩性的强烈不对称跳跃。在每次转换时,一个自旋/谷偏向会使所有载子从其部分羽翼的同伴中移出,“重置”到电荷中性点附近。结果,在每次整数翻转之后,在电荷中性附近观察到的类似狄拉克的特征再次出现。化学势附近的平面电磁场依赖性的测量揭示了很大的自发磁化强度,进一步证实了对称破坏级联的图景。在远高于超导和相关绝缘状态开始的温度下观察到相变和狄拉克恢复的序列。这表明在此报道的状态具有强烈破坏的电子偏好对称性并恢复了Dirac状的电子特性,在魔角石墨烯的物理学中很重要,形成了一种母态,在该母态中,脆性更高的超导和相关绝缘基态出现。

文献链接:

Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic-angle graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2373-y)

7.麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原Nature:扭曲的双层-双层石墨烯中的可调谐相关状态和自旋极化相

魔角双绞线双层石墨烯中相关绝缘体状态和超导性的最新发现使得能够对通过扭转范德华异质结构实现的可调带系统中的电子相关性进行实验研究。这种新颖的扭曲角自由度和控制度应该可以推广到其他二维系统,这些系统可能表现出相似的相关物理行为,并且可以使技术能够调谐和控制电子-电子相互作用的强度。麻省理工Pablo Jarillo-Herrero&曹原报道了一个基于小角度扭曲双层-双层石墨烯(TBBG)的高度可调的相关系统,该系统由两个旋转的伯纳尔堆叠的双层石墨烯薄片组成。TBBG具有丰富的相图,具有可调谐的相关绝缘体状态,对扭曲角和电位移场的应用都高度敏感,电位移场可以改变贝尔纳堆叠的双层石墨烯的固有极化率。相关的绝缘体状态可以通过莫尔单位晶格的所有整数电子翻转处的位移场来接通和断开。这些相关态对磁场的响应表明自旋极化的基态的证据,与魔角扭曲的双层石墨烯形成了鲜明的对比。此外,在较低的扭曲角范围内,TBBG在电荷中性附近显示了多组带,导致许多相关状态对应于这些带中的每一个的半翻转,所有这些状态也都可以通过位移场来调节。这个结果可以使人们探索多带扭曲超晶格中扭曲角和电场控制的相关相。

文献链接:

Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer-bilayer graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2260-6)

8.魏茨曼科学研究院E. Zeldov&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero Nature:映射魔角石墨烯中的扭曲角紊乱和Landau能级

最近发现的电子带以及魔术角扭曲双层石墨烯(MATBG)中的强相关和超导相至关重要地取决于层间扭曲角θ。尽管已经证明以大约0.1度的精度控制全局θ,但是关于局部扭转角的分布的信息很少。魏茨曼科学研究院E. Zeldov&麻省理工Pablo Jarillo-Herrero使用纳米级尖端扫描超导量子干涉装置(SQUID-on-tip)获得处于量子霍尔状态的Landau能级的断层图像,并绘制六方氮化硼(hBN)封装的MATBG中的局部θ变化图。相对精度优于0.002度且空间分辨率只有几个莫尔周期的设备。作者发现了θ紊乱程度与MATBG传输特性的质量之间的相关性,并表明即使是最先进的设备,在θ上也存在相当大的局部变化,最高可达0.1度,表现出明显的梯度和跳跃网络,可能包含没有本地MATBG行为的区域。作者观察到MATBG中的相关状态相对于扭曲角异常特别脆弱。文章还证明了θ的梯度会产生大的栅极可调面内电场,即使在金属区域也不会被屏蔽,这会通过在样品的大部分区域中形成边缘通道而深刻改变量子霍尔态,并且可能会影响相图和超导状态。因此,作者确立了θ紊乱作为一种非常规类型的紊乱的重要性,能够将扭曲角梯度用于带状结构工程,实现相关现象以及用于设备应用的门可调内置平面电场。

文献链接:

Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2255-3)

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