普林斯顿大学领导的科学家团队对在魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)材料中观察到的许多量子相负责的精确微观基础进行了成像。这种非凡的材料由以二维六边形图案排列的碳原子扭曲层组成，近年来一直处于物理学研究的前沿，尤其是凝聚态物理学研究的前沿。
具体来说，研究人员首次能够捕捉到相互作用电子微观行为的前所未有的精确可视化，这些电子相互作用产生了 MATBG 的绝缘量子相。此外，通过使用新颖和创新的理论技术，他们能够解释和理解这些行为。
麻省理工学院 (MIT) 的 Pablo Jarillo-Herrero 和他的团队于 2018 年首次发现了扭曲双层石墨烯的惊人特性。他们证明这种材料可以是超导的，在这种状态下电子可以自由流动而没有任何阻力。这种状态对于我们的许多日常电子产品至关重要，包括用于核磁共振成像和粒子加速器的磁铁，以及用于构建量子计算机的量子位(称为量子位)的制造。
自这一发现以来，扭曲双层石墨烯已经展示了许多新颖的量子物理态，例如绝缘态、磁性态和超导态，所有这些都是由电子的复杂相互作用产生的。电子如何以及为何在 MATBG 中形成绝缘态一直是该领域未解决的关键难题之一。这个难题的解决不仅将解锁我们对绝缘体和邻近超导体的理解，而且还将解锁科学家们试图理解的许多不寻常的超导体所共有的这种行为，包括高温铜酸盐超导体。
“MATBG 在单一材料平台上展示了许多有趣的物理现象，其中大部分仍有待理解，”该论文的共同主要作者、获得博士学位的凯文·纳科尔斯(Kevin Nuckolls) 说。2023 年在普林斯顿大学物理系获得博士学位，现在是麻省理工学院的博士后研究员。“这种电子被完全阻止流动的绝缘阶段一直是一个真正的谜。”
为了产生所需的量子效应，研究人员将两片石墨烯叠放在一起，顶层稍微倾斜。这种不平衡的位置产生了莫尔图案，该图案类似于常见的法国纺织品设计并以其命名。然而，重要的是，石墨烯顶层的定位角度必须精确为 1.1 度。这就是产生量子效应的“魔”角;也就是说，这个角度会引起石墨烯片中电子之间奇怪的、强相关的相互作用。
虽然物理学家已经能够证明这种材料中的不同量子相，例如零电阻超导相和绝缘相，但对于为什么这些相出现在 MATBG 中却知之甚少。事实上，之前所有涉及 MATBG 的实验都很好地证明了系统能够产生什么，但没有说明系统为何产生这些状态。
这个“为什么”成为当前实验的基础。
“这个实验的总体思路是，我们想提出有关这些量子相起源的问题，以真正了解电子在石墨烯原子尺度上到底在做什么，”纳科尔斯说。“能够在显微镜下探测材料，并拍摄其相关状态的图像(有效地对它们进行指纹识别)使我们能够非常清楚且精确地辨别其中一些相的微观起源。我们的实验还有助于指导理论家寻找未预测到的阶段。”
这项研究发表在 8 月 16 日的《自然》杂志上，是普林斯顿大学和加州大学伯克利分校的一个团队两年工作的结晶。科学家们利用扫描隧道显微镜(STM)的力量来探索这个非常微小的领域。该工具依赖于一种称为“量子隧道”的技术，其中电子在显微镜锋利的金属尖端和样品之间汇集。显微镜使用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。这些量子隧道事件的测量结果随后被转化为高分辨率、高灵敏度的材料图像。
然而，第一步——也许是实验成功的最关键的一步——是创建研究人员所说的“原始”样本。构成扭曲双层石墨烯样品的碳原子表面必须没有缺陷或缺陷。
1909 届教授阿里·亚兹达尼 (Ali Yazdani) 表示：“这篇论文的技术突破在于我们的团队能够使样本在清洁度方面保持原始状态，从而使您在论文中看到的这些高分辨率图像成为可能。”普林斯顿大学物理学博士兼复杂材料中心主任 。“换句话来说，你必须制造出十万个没有任何缺陷或混乱的原子。”
实际实验涉及将石墨烯片放置在正确的“魔角”，即 1.1 度。然后，研究人员将 STM 的尖锐金属尖端放置在石墨烯样品上，并在将尖端移过样品时测量量子力学隧道电流。
“这种量子尺度的电子不仅是粒子，而且也是波，”普林斯顿大学物理系研究生、该论文的共同主要作者之一瑞安·李 (Ryan Lee) 说。“本质上，我们正在对电子的波状图案进行成像，其中它们(彼此)干扰的确切方式告诉我们一些非常具体的信息，关于是什么导致了潜在的电子状态。”
这些信息使研究人员能够对扭曲双层石墨烯产生的量子相做出一些非常深入的解释。重要的是，研究人员利用这些信息来关注并解决多年来一直困扰该领域研究人员的长期难题，即石墨烯调整到其魔角时出现的量子绝缘相。
为了从理论角度理解这一点，普林斯顿大学的研究人员与加州大学伯克利分校的一个团队合作，该团队由普林斯顿大学物理学家 B. Andrei Bernevig 和伯克利大学物理学家 Michael Zaletel 领导。该团队开发了一种新颖且创新的理论框架，称为“局域序参数”分析，以解释 STM 图像并了解电子在绝缘阶段的行为(换句话说，它们如何相互作用)。他们发现，绝缘态的发生是由于电子之间在微观层面上存在强烈的排斥力。
“在魔角扭曲双层石墨烯中，挑战在于对系统进行建模，”加州大学伯克利分校的研究生和理论家、该论文的共同主要作者之一 Tomohiro Soejima 说。“有许多相互竞争的理论，没有人知道哪一种是正确的。我们的‘指纹’实验非常重要，因为这样我们就可以查明产生绝缘相的实际电子相互作用。”
通过使用这个理论框架，研究人员首次能够对观察到的电子波函数进行测量。“该实验引入了一种分析量子显微镜的新方法，”亚兹达尼说。
研究人员建议，这项技术(包括图像和理论框架)将来可用于分析和理解 MATBG 中的许多其他量子相，并最终帮助理解可能对下一代有用的新的和不寻常的材料特性。量子技术应用。
“我们的实验是一个很好的例子，展示了大自然为何如此复杂——可能真的令人困惑——直到你有正确的框架来看待它，然后你会说，‘哦，这就是正在发生的事情，’”亚兹达尼说。
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