Nature二连发说什么——石墨烯中的新电子态

中学僧 2018年4月28日浏览：1343

麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门，该成果以“背靠背”形式刊登在Nature官网上。

Nature：在魔角石墨烯超晶格中半填充时的相关绝缘体行为

【引言】

范德华异质结构是二元构筑单元垂直堆叠而成，在二维材料丰富的功能性基础上，可以实现更多的工程化操纵。其中一个方向，就是通过控制层间扭曲角度，来调控范德华异质结的电子结构。到目前为止，关于扭曲角度在范德瓦尔斯异质结构中效应的研究主要集中在石墨烯/六方氮化硼扭曲结构中，由于在六方氮化硼中存在大带隙，其表现出相对较弱的层间相互作用。

【成果简介】

近日，在美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）团队和曹原（第一作者）的带领下，与美国哈佛大学，日本国立材料科学研究所合作，报道了当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”时，由于强的层间耦合，产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦。这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态，产生的新电子态是Mott绝缘体态，来源于电子之间的强排斥作用。魔角扭曲双层石墨烯的独特性质可能为无磁场的二维平台上的多体量子相位开启新的运动场。相关成果以题为“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。

【图文导读】

图1 扭曲双层石墨烯中的电子能带结构

（a）扭曲的双层石墨烯（TwBLG）器件的示意图；

（b）在TwBLG中看到的莫尔条纹；

（c）1.08°TwBLG的能带结构；

（d）MBZ由来自两层的两个K（K'）波矢量之间的差异构成；

（e-g）不同夹层层间杂交效果图；

（h）计算1.08°时E> 0的平带的局部态密度（LDOS）；

（i）堆叠顺序的简化模型的俯视图。

图2 扭曲双层石墨烯器件D1的电导

（a）用1.08°测量魔角TwBLG器件D1的电导，插图显示了四种不同器件中半填充绝缘相（HFIP）的密度位置；

（b）D1中两个HFIP的最小电导值；

（c，d）分别在p侧和n侧HFIP附近，D1的温度依赖性电导从0.3〜1.7K。

图3 扭曲双层石墨烯器件D2的电容测量

（a）器件D2在0.3 K（蓝色线）和2 K（粉色线）处的电容测量；

（b）从温度相关的SdH振荡中提取的有效质量m^*和振荡频率fSdH；

（c）在4.5K至120K的不同温度下，D1的电导与栅极的相关性；

（d）TwBLG中E> 0平带分支的带宽W与不同扭转角的现场能量U之间的比较。

图4 扭曲双层石墨烯器件D2的电容测量

（a，b）分别在p侧和n侧，D1的HFIP电导的B_⊥依赖性；

（c）不同磁场下p侧HFIP电导的阿仑尼乌斯曲线图；

（d-f）不同状态图（DOS）的密度

【小结】

该团队的研究表明，石墨烯可以通过范德华工程转化为平衡带系统，其中相关效应起着基础性作用。魔角TwBLG为研究Mott绝缘体态提供了一个新的平台，它可以提供对强关联材料的洞察力，特别是高温超导性。三角形晶格上的自旋和谷结合自由度的丰富性也可以引起如量子自旋液体等外来量子相位。

文献链接：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规超导性

【引言】

数十年来，强关联电子材料的行为令物理学家感到困惑，特别是非常规超导体的行为。这种困难激发了新的研究范式，例如模拟量子材料的超冷原子晶格。

【成果简介】

近日，在美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）和曹原（第一作者）团队的带领下，与美国哈佛大学，日本国立材料科学研究所合作，报道了堆叠具有小扭曲角的两个石墨烯片中二维超晶格，产生一种全新的电子态——超导态。当旋转角度小到魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。相关成果以题为“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。

【图文导读】

图1 石墨烯超晶格中的2D超导电性

（a）典型的扭曲双层石墨烯（TBG）装置和四探针测量方案的示意图；

（b）在两个器件M1和M2中测量四探针电阻Rxx = Vxx/I ，其中扭转角分别为θ= 1.16°和θ= 1.05°。插图是设备M1的图像；

（c）在超晶格的第一个小布里渊区（MBZ）中，TBG在θ= 1.05°处的能带结构；

（d）（c）所示带的状态密度（DOS），放大到-10〜10meV；

（e）在n = -1.44×1012cm^-2和各种温度下测量的器件M2的I-V曲线。

图2 石墨烯超晶格中的可调谐超导性

（a）在零磁场（红色线）和B_⊥= 0.4 T（蓝色线）的垂直场中测得的器件M1的双探针G2电导；

（b）在（a）中由粉红色虚线包围的区域对应的密度下测得的四探针电阻Rxx与温度的关系；

（c）在装置M2中粉红色虚线包围的区域对应的密度下测得的四探针电阻Rxx与温度的关系。

图3 石墨烯超晶格中超导态的磁场响应

（a，b）四探针电阻分别作为器件M1和M2中密度n和垂直磁场B_⊥的函数；

（c）器件M2测量的不同B_⊥值的差分电阻dV_xx/dI与直流偏置电流I的关系；

（d）器件M1测量的不同B_⊥值的R_xx-T曲线；

（e）器件M1的垂直和平行临界磁场与温度的关系。

图4 石墨烯超晶格在不同磁场下的温度密度相图

（a-c）分别在B_⊥= 0，B_⊥= 0.4T和B_perp = 8T下测量的不同密度的器件M1的R_xx-T曲线；

（d-f）（a-c）中对应于磁场的示意性相图。

图5 在高场下石墨烯超晶格中的量子振荡

（a）器件M2的磁阻R_xx和B_⊥的关系；

（b）（a）中由A，B和C标记的电荷密度的温度依赖性量子振荡迹线；

（c）（b）中所示的振荡的归一化振幅的Lifshitz-Kosevich曲线；

（d，e）分别是作为电荷密度n的函数提取的SdH振荡频率和有效质量。

图6 石墨烯超晶格在强耦合极限中的超导性

【小结】

石墨烯超晶格中非常规超导的实现将石墨烯超晶格建立为一个用于研究相关电子物理的相对简单的，可访问和高度可调的平台。石墨烯超晶格中的相互作用可以通过扭曲角度和通过差分门控施加垂直电场来进一步微调。此外，通过向石墨烯超晶格施加压力以增加层间杂化，或通过耦合不同的石墨烯超晶格结构以引起垂直方向上的Jospehson耦合，T_c可以进一步增强。类似的魔角超晶格和平带电子结构也可以用其他二维材料或晶格来实现，以研究具有不同属性的强相关系统。

文献链接：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规超导性

【引言】

由两片石墨烯制成的简单系统已经从绝缘体转变为超导体。这一发现有望开启对超导电性的非传统形式的研究。

【成果简介】

近日，美国宾夕法尼亚大学Eugene J. Mele教授评述了麻省理工学院曹原博士的成果，评说他们制备了旋转扭曲的双层石墨烯，通过电子之间的相互作用来控制整个体系的电子态。旋转产生的位错使石墨烯层中的电子能带结构不再对齐，单胞变大。研究发现，堆叠的双层石墨烯中，电学行为对原子排列非常敏感，影响层间电子移动。相关评述以题为“Novel electronic states seen in graphene”发表在了Nature上。

【图文导读】

图1 不同角度扭曲的双层石墨烯