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狄拉克电子在魔法角石墨烯中复活——不寻常的对称破坏

扭曲双层石墨烯中发现一种新的对称断裂父态。

2018年,人们发现两层石墨烯神奇地使一层相对于另一层扭曲。角度显示各种有趣的量子相,包括超导,磁性,和绝缘行为。现在,由凝聚态物理系的Shahal Ilani教授领导的魏茨曼科学研究所的一组研究人员,与麻省理工学院的Pablo jarillo - herreros教授合作,发现这些量子相来自一种以前未知的高能母态。不寻常地打破了对称。

石墨烯是一种扁平的碳晶体,只有一个原子厚度。当两片这种材料以小角度错位地放在一起时,就会产生周期性的波纹。模式出现了。这种图案为材料中的电子提供了一个人工晶格。在这个扭曲的双层系统中,电子有四种形式:自旋向上。或“,,”;与两个山谷结合的起源于石墨烯的六边形晶格。结果,每一个人都很容易受到伤害。“位置”最多可容纳4个电子,每种味道各1个。

虽然研究人员已经知道,当所有的摩尔和伊姆林2018年,Jarillo-Herrero和他的同事们惊奇地发现,电子位置完全被填满了(每个位置4个电子)。当其他整数填充时(每摩尔2或3个电子;网站)。奇异角扭曲双层石墨烯(MATBG)所表现出的这种行为无法用单粒子物理学来解释,通常被描述为一种相关的绝缘体。更令人惊讶的是,在这些填充物附近发现了奇异的超导性。这些发现导致了一系列旨在回答大问题的研究活动:在MATBG和类似扭曲系统中发现的新奇异状态的性质是什么?

用碳纳米管探测器成像魔角石墨烯电子

魏茨曼团队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,着手了解在MATBG中相互作用电子的行为。这种仪器可以在真实空间以极高的灵敏度对材料中电子产生的电势进行成像。

利用这个工具,我们可以第一次图像的压缩。在这个系统中的电子也就是说,将额外的电子挤压到空间中的某一点有多难。Ilani解释道。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,电子是高度可压缩的。

可压缩性也揭示了有效质量。的电子。例如,在普通石墨烯中,电子非常轻,它们就像独立的粒子一样,实际上忽略了其他电子的存在。另一方面,在魔角石墨烯中,电子被认为是非常重的。因此,它们的行为取决于与其他电子的相互作用。许多研究人员把这一事实归因于在这种物质中发现的奇异相。因此,魏茨曼团队期望可压缩性表现为电子填充函数的一个非常简单的模式:在具有重电子的高度可压缩性金属和出现在每个整数moiré格只填满;

令他们惊讶的是,他们发现了一个截然不同的模式。他们观察到的不是金属到绝缘体再回到金属的对称跃迁,而是在整数填充附近电子可压缩性的急剧的不对称跃迁。

这意味着在这一转变之前和之后,承运人的性质明显不同。该研究的第一作者Uri Zondiner说。在过渡之前,载流子非常重,过渡之后,载流子看起来非常轻,让人想起狄拉克电子。存在于石墨烯中的物质。

同样的行为在每一个整数填充的附近被看到重复,在那里重的载体突然放弃,轻的类似dirac的电子重新出现。

但是如何理解载体性质的如此突然的变化呢?为了解决这个问题,团队与魏茨曼的理论家教授一起工作。Erez Berg, Yuval Oreg, Ady Stern和Raquel Quiroez博士;以及柏林自由大学的Felix von-Oppen教授。他们建立了一个简单的模型,揭示了电子以一种极不寻常的无西弗潘式方式填充MATBG的能带。方式:当电子开始从狄拉克点填充时。(在价带和导带刚好接触的点),它们表现正常,在四种可能的味道中平均分布。然而,当每摩尔电子的填充数接近整数时;超晶格点时,会发生剧烈的相变。该研究的第一作者Asaf Rozen解释说。在这种转变中,有一种口味是grabso。它的同行的所有运营商,重新设置它们回到带电中性的狄拉克点。,

由于没有电子,剩下的三种口味需要重新填充。他们一直这样做,直到另一个阶段发生转变,这一次剩下的三种口味中的一种从同类产品中抢走了所有的运营商,把它们推回到起点。因此电子需要爬上西西弗斯那样的山,不断地被推回到起始点,在那里它们恢复到光狄拉克电子的行为。Rozen说。该系统在低载流子填充时处于高度对称状态,其中所有电子味道都是均等填充的,当进一步填充时,系统会经历一连串的破坏对称性的相变,反复降低其对称性。

“;父state”

最令人惊讶的是,我们发现的相变和狄拉克还原出现在远高于目前观察到的超导态和相关绝缘态开始的温度下。Ilani说。这表明,我们所看到的对称断裂状态实际上是父态。由此产生了较脆弱的超导和相关绝缘基态。

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性质有重要的影响。

例如,众所周知,电子越重,超导性就越强。然而,我们的实验证明了完全相反的情况:在相变使光狄拉克电子复活后,这个魔角石墨烯系统中出现了超导性。这是如何发生的,以及它与其他更传统的超导形式相比,如何告诉我们超导性在这个系统中的性质,仍然是一个有趣的开放问题。Zondiner说。

由普林斯顿大学的Ali Yazdani教授和他的同事在《自然》杂志上发表的另一篇论文中也报道了类似的一系列相变。普林斯顿大学的研究小组使用一种完全不同的实验技术,基于一种高灵敏的扫描隧道显微镜来研究MATBG,因此看到互补技术导致类似的观察结果是非常令人欣慰的。Ilani说。

魏茨曼和麻省理工学院的研究人员说,他们现在将利用他们的扫描纳米管单电子晶体管平台来回答关于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状态的性质是什么?构成这些状态的基本准粒子是什么?

参考文献:魔幻角石墨烯的相变级联和狄拉克还原作者: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,Nature。

DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2373 - y

Shahal ilani&o的研究得到了Sagol Weizmann-MIT桥项目的支持。André德洛罗科学研究奖利昂娜·m·和哈里·b·赫尔姆斯利慈善信托基金;以及欧洲研究委员会。

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