作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 叠放并旋转两片双层石墨烯时出现的云纹图案示意图
在扭曲双层石墨烯中，在小范围的扭曲角内出现具有磁有序的相关电子态，并且可以通过门控和施加电场来调节
信用:何等
在过去几年里，全世界越来越多的研究人员一直在进行研究，调查所谓的扭曲范德瓦尔斯(vdW)材料的性质和特征
这种独特的材料可以成为一个理想的平台，用来研究电子之间强相互作用产生的相关相
华盛顿大学和日本国家材料科学研究所的研究人员最近进行了一项研究，专门探索扭曲vdW异质结构中可能出现的相关绝缘状态，这种状态可以通过改变扭曲角和施加外部电场来调节
在他们发表在《自然物理》杂志上的论文中，他们展示了扭曲双层石墨烯的电输运测量，由此他们能够检验自发对称性破缺在材料相图中的作用
凝聚态物理学家已经知道如何使用透明胶带剥离程序来分离单层材料，例如石墨烯超过15年
他们现在也知道如何单独拿起薄的原子薄片，并把它们一个接一个地组装起来
如果将它们旋转一个小的扭转角，就会出现一种称为莫尔条纹的几何干涉图案
这种模式可以极大地改变复合结构的电子特性
开展这项研究的华盛顿大学物理学和材料科学与工程助理教授马修·扬科维茨告诉《物理》杂志说:“在某些情况下，云纹图案可以产生壮观的新电子态，这些电子态是由材料中电子之间的强相互作用驱动的。”
（同organic）有机
“这是麻省理工学院的研究人员在2018年首次发现的，他们观察到了超导性和相关的绝缘状态，这是通过将两个单层石墨烯片以1
1 (i
e
魔角扭曲双层石墨烯)
这些相互关联的状态特别令人兴奋，因为它们存在于完全由碳原子组成的化学计量简单结构中，并且可以使用许多实验旋钮(如电荷掺杂、扭转角和压力)进行动态调节
" 类似的相关态以前也在大块晶体中观察到，然而在这些材料中，由于晶体的复杂结构，它们更难调谐和理论建模
因此，理解这些强关联状态仍然是凝聚态物理中的一个关键挑战
Yankowitz和他的同事最近工作的目标是深入了解vdW异质结构中的这些相关态如何用于研究和技术开发
在它们第一次出现在魔角扭曲双层石墨烯中后不久，世界范围内的研究团队意识到，这些状态也可以在包含两层扭曲双层石墨烯的异质结构中找到(我
e
总共四个石墨烯层)
“在这种情况下，相关态还可以通过垂直于石墨烯片的电场来控制，”扬科维茨解释道
“然而，这些状态的确切性质仍然有些神秘
特别是，有些特征类似于奇异形式的超导性，然而，这些特征的确切起源还没有被很好地理解
我们研究的主要动机是通过研究具有电可调性的扭曲双层石墨烯来解决这些问题
" 作为他们研究的一部分，扬科维茨和他的同事测量了作为温度和磁场函数的电输运
当有一个小磁场时，横向于外加电流的电阻符号，也就是霍尔电阻，表示亚原子粒子的类型(即
e
电子或“空穴”)是材料内部的主要电荷载体
扭曲双层石墨烯器件的光学显微镜图像
信用:何等
当相关态自发地打破对称性(即
e
电子自旋或谷对称)在低温下扭曲的双层石墨烯中，材料的电子结构迅速改变，其主要电荷载流子也可以改变
因此，同时测量材料的电阻率和霍尔效应可以提供关于其中相关状态的有价值的见解
华盛顿大学物理学和材料科学与工程教授徐晓东说:“通过仔细测量扭曲双层石墨烯的电阻率和霍尔效应随温度的变化，我们发现突然的电阻率下降，让人联想到超导性，也与霍尔电阻的同步符号变化有关。”
“这一观察结果与自发对称性破缺引起的磁有序的开始比超导性更为一致
" 有趣的是，Yankowitz、徐和他们的同事在扭曲的双层石墨烯中观察到的电阻率下降作为对称性破缺态边界温度的函数经历了最剧烈的变化
作为他们研究的一部分，研究人员还研究了作为外加电流引起的偏置函数的输运
当他们对材料施加电流时，他们观察到了与非线性传输相关的信号
尽管在超导态中也观察到了非线性输运，但他们发现在他们的样品中，这很可能是焦耳加热机制的结果
“我们的工作为扭曲的双层石墨烯中相关态的神秘特征提供了新的关键理解，”扬科维茨说
“虽然我们不能直接排除超导性，但我们的结果表明，自发对称性破缺驱动的磁性是扭曲双层石墨烯中相关金属态的一个合理候选物
" 近年来，在各种各样的莫尔vdW异质结构中观察到了类似于这组研究人员所研究的超导特性
他们提出的新发现可能有助于将这些状态与过去研究在魔角扭曲双层石墨烯中揭示的超导性区分开来
此外，Yankowitz，Xu和他们的同事所收集的观测数据可以帮助我们从理论的角度更好地理解莫尔异质结构中相关态的性质，这一点到目前为止被证明是非常具有挑战性的
研究人员正计划利用他们获得的洞察力开发更直接的探测器来了解这些状态
“因为我们的结果表明相关的金属状态是磁性有序的，我们希望使用电输运和光谱学的结合来观察这种磁性的直接特征，”扬科维茨说
“我们还在研究控制这些相关状态的新方法，例如通过施加高压来改变材料的层间耦合和晶体结构
最后，理论预测这种材料可能具有拓扑状态，像量子反常霍尔效应，所以我们现在正在寻找方法来揭露和探索这种非平凡的拓扑
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