在扭曲的双层石墨烯中发现了新的对称性破坏的母态安阳

在扭曲的双层石墨烯中发现了新的对称性破坏的母态

在2018年，发现石墨烯的两层相对于另一层以“魔术”角扭曲在一起，显示出各种有趣的量子相，包括超导性，磁性和绝缘行为。

现在，由凝聚态物理系的Shahal Ilani教授领导的魏兹曼科学研究所的一个研究小组与麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授的研究小组合作。

发现这些量子相源自一个以前未知的高能级能量“母体状态”，具有不寻常的对称性破坏。

石墨烯是碳的扁平晶体，仅一个原子厚。当两张这种材料以小角度未对准的方式放置在彼此的顶部时，会出现周期性的“莫尔纹”图案。

该图案为材料中的电子提供了人工晶格。在这种扭曲的双层系统中，电子具有四个“风味”：自旋“向上”或“向下”，再加上两个起源于石墨烯六角形晶格的“谷”。

结果，每个莫尔条纹位置最多可以容纳四个电子，每个电子都有一个。

尽管研究人员已经知道，当所有的莫尔条纹位置完全充满时，系统就像一个简单的绝缘体，但Jarillo-Herrero和他的同事发现令他们惊讶的是，在2018年，它具有特定的“魔幻”角度，扭曲的系统也会在其他整数填充处变得绝缘。

魔角扭曲双层石墨烯表现出的这种行为无法用单粒子物理学来解释，通常被描述为“相关的Mott绝缘子”。

更令人惊讶的是在这些填充物附近发现了奇特的超导性。这些发现导致了一系列研究活动，旨在回答一个大问题：在MATBG和类似的扭曲系统中发现的新的异国状态的本质是什么？

用碳纳米管探测器对魔角石墨烯电子进行成像

魏茨曼小组着手研究使用独特类型的显微镜来了解MATBG中相互作用的电子的行为，该显微镜利用位于扫描探针悬臂边缘的碳纳米管单电子晶体管。该仪器可以在现实空间中以极高的灵敏度对电子在材料中产生的电势进行成像。

“使用该工具，我们可以首次成像该系统中电子的'可压缩性'，即将额外的电子挤压到空间中给定点有多难，” Ilani解释说。“粗略地说，电子的可压缩性反映了它们所处的相：在绝缘体中，电子是不可压缩的，而在金属中，它们是高度可压缩的。”

可压缩性还揭示了电子的“有效质量”。例如，在规则的石墨烯中，电子非常“轻”，因此表现得像独立粒子，实际上忽略了其同伴电子的存在。另一方面，在魔角石墨烯中，电子被认为是非常“重”的，因此它们的行为受与其他电子相互作用的支配。

许多研究人员将这一事实归因于这种材料中发现的奇异相。因此，Weizmann小组期望可压缩性表现出与电子填充有关的非常简单的模式：在具有重电子的高度可压缩金属与出现在每个整数莫尔网格填充处的不可压缩Mott绝缘体之间互换。

令他们惊讶的是，他们观察到了截然不同的模式。他们观察到在整数填充附近的电子可压缩性出现了急剧的，不对称的跳跃，而不是从金属到绝缘体然后再回到金属的对称过渡。

研究的主要作者乌里·桑迪纳尔说：“这意味着在这种转变前后，携带者的性质明显不同。” “在跃迁之前，载流子非常重，而在载流子之后，它们似乎非常轻，让人联想到石墨烯中存在的'狄拉克电子'。”

在每个整数填充附近都可以看到相同的行为，其中重载子突然消失，轻的狄拉克样电子重新出现。

但是，如何理解承运人性质的这种突然变化？为了解决这个问题，研究小组与魏茨曼理论家Prof. Erez Berg，Yuval Oreg和Ady Stern以及Raquel Quiroez博士；以及柏林自由大学的Felix von-Oppen教授。

他们构建了一个简单的模型，揭示了电子以一种非常不寻常的“西西弗斯”方式充满了MATBG中的能带：当电子从“狄拉克点”开始填充时，它们表现正常，在四种可能的口味中平均分配。

研究的主要作者阿萨夫·罗森解释说：“但是，当每个莫尔超晶格位的填充量接近整数个电子时，就会发生剧烈的相变。” “在这个过渡时期，

“没有电子，剩下的三种调味剂需要从头开始重新填充。它们这样做直到发生另一次相变，这次剩下的三种调味剂中的一种抓住了所有同等载体，将它们推回了平方。

因此，电子需要爬上像西西弗斯之类的山，不断地被推回到起点，使它们恢复光狄拉克电子的行为，”罗森说。

当该系统在低载流子填充状态下处于高度对称状态时，其中所有电子香精均等地填充，进一步填充后，系统会经历一系列破坏对称的相变级联，从而反复降低其对称性。

一个“父母国家”

Ilani说：“最令人惊讶的是，我们发现的相变和狄拉克恢复出现在远高于迄今为止观察到的超导和相关绝缘状态开始的温度。” “这表明，我们所看到的对称性破坏状态实际上是'母态'，在其中出现了更脆弱的超导和相关的绝缘基态。”

打破对称性的独特方式，对这种扭曲系统中的绝缘态和超导态具有重要的意义。

“例如，众所周知，当电子越重时，就会产生越强的超导性。但是，我们的实验却恰恰相反：在相变使光狄拉克电子恢复后，超导性出现在这个魔角石墨烯系统中。

与其他更传统的超导形式相比，它告诉我们的关于该系统超导性质的问题仍然是一个有趣的开放问题。” Zondiner说。

普林斯顿大学的Ali Yazdani教授及其同事在同一《自然》杂志上发表的另一篇论文中报道了相似的相变级联。

Ilani说：“普林斯顿大学的团队使用一种完全不同的实验技术研究了MATBG，该技术基于高度灵敏的扫描隧道显微镜，因此非常令人放心的是，互补技术会导致类似的观察结果。”

魏茨曼和麻省理工学院的研究人员说，他们现在将使用其扫描纳米管单电子晶体管平台来回答有关各种扭曲层系统中的电子的这些和其他基本问题：电子的可压缩性与其表观传输特性之间是什么关系？这些系统在低温下形成的相关态的性质是什么？构成这些状态的基本准粒子是什么？

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