狄拉克电子在石墨烯的魔法角度中恢复了生命——对称性的不寻常打破

在扭曲双层膜中发现了一种新的对称破坏母态石墨烯。

2018年，人们发现两层石墨烯以“魔术”角度相互扭曲，呈现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研究团队，与Pablo Jarillo-Herrero教授的团队合作麻省理工学院他们发现，这些量子相来自于一种未知的高能“母体态”，具有不寻常的对称性破缺。

石墨烯是一种碳的平面晶体，只有一种原子厚。当两张这种材料相互叠加，以小角度错位时，就会出现周期性的“云纹”图案。这种模式为材料中的电子提供了一个人工晶格。在这个扭曲的双层体系中，电子有四种“风味”:“向上”或“向下”旋转，并与源自石墨烯六边形晶格的两个“山谷”结合。因此，每个云纹点最多可以容纳4个电子，每种味道各一个。

虽然研究人员已经知道,系统的行为作为一个简单的绝缘子当所有的波纹网站是完全完整的(每个网站4个电子),Jarillo-Herrero和他的同事们发现令他们吃惊的是,2018年,在一个特定的“魔法”角度,扭曲的系统也成为绝缘在其他整数馅料(两个或三个电子/波纹网站)。这种行为，由魔术角度扭曲双层石墨烯(MATBG)表现出来，无法用单粒子物理来解释，通常被描述为“相关的莫特绝缘体”。更令人惊讶的是，在这些填充物附近发现了奇异的超导性。这些发现引发了一系列旨在回答这个大问题的研究活动:在MATBG和类似的扭曲系统中发现的新奇异状态的本质是什么?

用碳纳米管探测器成像魔术角石墨烯电子

魏茨曼的研究小组利用一种独特的显微镜，利用位于扫描探针悬臂边缘的碳纳米管单电子晶体管，开始了解MATBG中电子相互作用的行为。这个仪器可以在真实的空间中，对极敏感的材料中电子产生的电势进行成像。

Ilani解释说:“使用这个工具，我们可以第一次成像这个系统中电子的‘压缩性’，也就是把额外的电子挤压到空间中给定点的困难程度。”“粗略地说，电子的可压缩性反映了它们所处的相位: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。”

可压缩性也揭示了电子的“有效质量”。例如，在规则石墨烯中，电子非常“轻”，因此表现得像独立的粒子，实际上忽略了其他电子的存在。另一方面，在魔术角度石墨烯中，电子被认为是极其“重”的，因此它们的行为是由与其他电子的相互作用决定的——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，魏茨曼团队预期可压缩性表现为电子填充的一个非常简单的模式:在每个整数莫尔格子填充中，带有重电子的高压缩性金属和不可压缩的莫特绝缘体之间进行交换。

令他们惊讶的是，他们发现了一个截然不同的模式。他们观察到的并不是从金属到绝缘体再回到金属的对称转变，而是在整数填充附近的电子可压缩性有一个尖锐的、不对称的跳跃。

该研究的主要作者Uri Zondiner说:“这意味着在这一转变之前和之后，携带者的性质是明显不同的。”“在跃迁之前，载流子非常重，跃迁之后，载流子似乎非常轻，让人想起石墨烯中存在的‘狄拉克电子’。”

同样的行为在几乎每一个整数填充中都重复出现，重载流子突然放弃，轻狄拉克式电子重新出现。

但是，如何才能理解这种携带者性质的突然变化呢?为了解决这个问题，该团队与魏茨曼理论学家的教授合作。Erez Berg, Yuval Oreg, Ady Stern和Dr. Raquel Quiroez;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,揭示电子填补能源乐队MATBG极不寻常的“徒劳的”的方式:当电子开始填充的“狄拉克点”(价带和导带的点相互接触),他们的行为通常被平均分配在四个可能的味道。“然而，当每个莫尔超晶格位置的填充电子数接近整数时，就会发生戏剧性的相变，”该研究的主要作者Asaf Rozen解释道。“在这一转变过程中，一种味道会从同类产品中‘夺取’所有的载波，将它们‘重置’到电荷中性的Dirac点。”

没有电子，剩下的三种口味需要从头开始重新填充。它们一直这样做，直到另一个相变发生，这一次剩下的三种味道中的一种从它的同行那里夺取了所有的载体，把它们推回到起点。因此，电子需要像西西弗斯一样爬上一座山，不断被推回到起点，在那里它们会恢复到光狄拉克电子的行为。”Rozen说。当这个系统在低载流子填充时处于高度对称状态时，所有的电子口味都是均等的，随着进一步填充它会经历一连串的对称破坏相变，反复降低它的对称性。

“父状态”

“最令人惊讶的是，我们发现的相变和狄拉克恢复出现在温度远高于超导和相关绝缘状态的起始温度，”Ilani说。“这表明，我们所看到的不对称态实际上是‘母体态’，更脆弱的超导态和相关的绝缘基态由此产生。”

这种对称性被打破的特殊方式，对这个扭曲系统的绝缘和超导状态的本质有着重要的意义。

“例如，众所周知，当电子较重时，超导性就会增强。然而，我们的实验却证明了恰恰相反的情况:在这个神奇角度的石墨烯体系中，相变使光狄拉克电子复活后，超导性就出现了。这种现象是如何发生的，以及它告诉我们的超导性质与其他更传统的超导形式相比，仍然是有趣的未决问题，”Zondiner说。

同样发表的另一篇论文也报道了类似的级联相变自然由Ali Yazdani教授及其同事主持普林斯顿大学。“普林斯顿团队研究MATBG使用了一种完全不同的实验技术，基于高灵敏度的扫描隧道显微镜，所以看到互补技术导致类似的观察是非常令人欣慰的，”Ilani说。

魏茨曼和麻省理工学院的研究人员说，他们现在将使用他们的扫描纳米管单电子晶体管平台来回答这些和其他关于各种扭曲层系统中的电子的基本问题:电子的可压缩性和它们的表观输运特性之间的关系是什么?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?

参考:U. Zondiner, A. Rozen, D. Rodan-Legrain, Y. Cao, R. Queiroz, T. Taniguchi, K. Watanabe, Y. Oreg, F. von Oppen, Ady Stern, E. Berg, P. Jarillo-Herrero和S. Ilani, 2020年6月11日，自然。
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2373 - y

Shahal Ilani教授的研究得到了Sagol Weizmann-MIT桥梁项目的支持;安德烈·德罗罗科学研究奖;Leona M. and Harry B. Helmsley慈善信托基金;以及欧洲研究理事会。