魏茨曼科学研究所 幻角石墨烯中的对称性破缺相变
充满能级的狄拉克电子的四种“味道”由充满圆锥形玻璃的四种“液体”来表示
信用:魏茨曼科学研究所 2018年，人们发现两层石墨烯以“神奇”的角度相互缠绕，显示出各种有趣的量子现象，包括超导性、磁性和绝缘行为
现在，一组来自魏茨曼科学研究所的研究人员在教授的带领下
凝聚态物理系的沙哈尔·伊拉尼与教授合作
巴勃罗·贾里洛-赫雷罗在麻省理工学院的团队发现，这些量子相是从一个先前未知的高能“母态”下降而来的，具有一种不寻常的对称性破缺
石墨烯是一种扁平的碳晶体，只有一个原子厚
当这种材料的两个薄片以小角度相互叠置时，就会出现周期性的“莫尔”图案
这种模式为材料中的电子提供了一个人造晶格
在这个扭曲的双层系统中，电子有四种“味道”:自旋“向上”或“向下”，与石墨烯六方晶格中的两个“谷”结合在一起
因此，每个莫尔条纹最多可以容纳四个电子，每种口味一个
虽然研究人员已经知道，当所有莫尔条纹完全填满时，该系统的行为就像一个简单的绝缘体(每个莫尔条纹有四个电子)，但贾里洛-赫雷罗和他的同事在2018年惊讶地发现，在特定的“神奇”角度，扭曲的系统在其他整数填充物(每个莫尔条纹有两到三个电子)处也会变成绝缘的
这种由魔角扭曲双层石墨烯表现出来的行为无法用单粒子物理来解释，通常被描述为“相关莫特绝缘体”
“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一个大问题的研究活动:在MATBG和类似的扭曲系统中发现的新的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类型的显微镜，利用位于扫描探针悬臂边缘的碳纳米管单电子晶体管，开始了解相互作用的电子在马特BG中的行为
这种仪器可以在真实空间中以极高的灵敏度对材料中电子产生的电势进行成像
“使用这个工具，我们可以第一次想象这个系统中电子的‘可压缩性’——也就是说，在空间中给定的点上挤压额外的电子有多难，”伊拉尼解释道
“粗略地说，电子的可压缩性反映了它们所处的阶段: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，在规则的石墨烯中，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，在魔角石墨烯中，电子被认为非常“重”，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在这种材料中发现的奇异相
因此，魏茨曼团队预计，作为电子填充的函数，可压缩性会显示出一个非常简单的模式:在高y可压缩金属和重电子之间的交换，以及在每个整数莫尔格填充处出现的不可压缩莫特绝缘体
令他们惊讶的是，他们观察到了一种截然不同的模式
他们没有观察到从金属到绝缘体再回到金属的对称转变，而是观察到了整数填充物附近的电子可压缩性的急剧不对称跳跃
“这意味着在这种转变之前和之后的运营商的性质是明显不同的，”该研究的主要作者尤里·佐纳说
“在转变之前，载流子非常重，而在转变之后，它们看起来非常轻，让人想起石墨烯中存在的‘狄拉克电子’
" 同样的行为在每个整数填充附近重复出现，重载流子突然消失，轻的类狄拉克电子重新出现
但是如何理解载体性质的这种突然变化呢？为了解决这个问题，该团队与魏茨曼理论家普罗夫斯合作
埃雷兹·伯格、尤瓦尔·奥莱格、紫琳·斯特恩和博士
拉奎尔·奎罗斯；以及教授
柏林自由大学的费利克斯·冯·奥本
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“西西弗式”方式填充MATBG中的能带:当电子从“狄拉克点”(价带和导带正好接触的点)开始填充时，它们表现正常，在四种可能的味道中均匀分布
“然而，当填充接近每个莫尔超晶格位置的整数个电子时，就会发生戏剧性的相变，”该研究的主要作者阿萨夫·罗赞解释说
“在这一转变中，一种味道‘攫取’了它的同类的所有载流子，把它们‘重置’回电荷中性的狄拉克点
" “由于没有电子，剩下的三种口味需要从头开始重新灌装
他们这样做，直到另一个阶段的转变发生，这一次，剩下的三种口味中的一种从它的同行手中抢走了所有的运营商，把他们推回到起点
因此，电子需要攀登像西西弗斯这样的山峰，不断被推回到起点，在那里它们恢复到轻狄拉克电子的行为，”罗赞说
当该系统在低载流子填充时处于高度对称的状态，其中所有的电子香料被均等地填充，随着进一步填充，它经历了一系列对称破坏相变，这些相变反复降低其对称性
“父状态” “最令人惊讶的是，我们发现的相变和狄拉克回复出现的温度远远高于迄今为止观察到的超导和相关绝缘状态的开始温度，”伊拉尼说
“这表明，我们所看到的对称性破缺状态实际上是‘母态’,更脆弱的超导态和相关的绝缘基态就是从这个母态中产生的
" 对称性被打破的奇特方式对这个扭曲系统中的绝缘和超导状态的性质有着重要的影响
例如，众所周知，电子越重，超导性越强
然而，我们的实验证明了完全相反的情况:在相变复活了轻狄拉克电子之后，超导性出现在这个魔角石墨烯系统中
“这是如何发生的，与其他更传统的超导形式相比，它告诉我们这个系统中超导的本质是什么，这仍然是一个有趣的未决问题，”宗德尔说
教授在同一期《自然》杂志上发表的另一篇论文中报道了类似的一连串相变
普林斯顿大学的阿里·亚兹达尼和同事们
伊拉尼说:“普林斯顿团队使用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来研究MATBG，所以看到互补的技术导致类似的观察是非常令人放心的。”
魏茨曼和麻省理工学院的研究人员说，他们现在将使用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电子的基本问题:电子的可压缩性和它们的表观传输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？组成这些状态的基本准粒子是什么？ 这项名为“魔角石墨烯中相变级联和狄拉克回复”的研究发表在6月11日的《自然》杂志上
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