石墨烯中的新电子态

麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门，该成果以“背靠背”形式刊登在Nature官网上。

Nature：在魔角石墨烯超晶格中半填充时的相关绝缘体行为

【引言】

范德华异质结构是二元构筑单元垂直堆叠而成，在二维材料丰富的功能性基础上，可以实现更多的工程化操纵。其中一个方向，就是通过控制层间扭曲角度，来调控范德华异质结的电子结构。到目前为止，关于扭曲角度在范德瓦尔斯异质结构中效应的研究主要集中在石墨烯/六方氮化硼扭曲结构中，由于在六方氮化硼中存在大带隙，其表现出相对较弱的层间相互作用。

【成果简介】

近日，在美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）团队和曹原（第一作者）的带领下，与美国哈佛大学，日本国立材料科学研究所合作，报道了当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”时，由于强的层间耦合，产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦。这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态，产生的新电子态是Mott绝缘体态，来源于电子之间的强排斥作用。魔角扭曲双层石墨烯的独特性质可能为无磁场的二维平台上的多体量子相位开启新的运动场。相关成果以题为“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。

【图文导读】

图1 扭曲双层石墨烯中的电子能带结构

（a）扭曲的双层石墨烯（TwBLG）器件的示意图；

（b）在TwBLG中看到的莫尔条纹；

（c）1.08°TwBLG的能带结构；

（d）MBZ由来自两层的两个K（K’）波矢量之间的差异构成；

（e-g）不同夹层层间杂交效果图；

（h）计算1.08°时E> 0的平带的局部态密度（LDOS）；

（i）堆叠顺序的简化模型的俯视图。

图2 扭曲双层石墨烯器件D1的电导

（a）用1.08°测量魔角TwBLG器件D1的电导，插图显示了四种不同器件中半填充绝缘相（HFIP）的密度位置；

（b）D1中两个HFIP的最小电导值；

（c，d）分别在p侧和n侧HFIP附近，D1的温度依赖性电导从0.3〜1.7K。

图3 扭曲双层石墨烯器件D2的电容测量

（a）器件D2在0.3 K（蓝色线）和2 K（粉色线）处的电容测量；

（b）从温度相关的SdH振荡中提取的有效质量m^*和振荡频率fSdH；

（c）在4.5K至120K的不同温度下，D1的电导与栅极的相关性；

（d）TwBLG中E> 0平带分支的带宽W与不同扭转角的现场能量U之间的比较。

图4 扭曲双层石墨烯器件D2的电容测量

（a，b）分别在p侧和n侧，D1的HFIP电导的B_⊥依赖性；

（c）不同磁场下p侧HFIP电导的阿仑尼乌斯曲线图；

（d-f）不同状态图（DOS）的密度

【小结】

该团队的研究表明，石墨烯可以通过范德华工程转化为平衡带系统，其中相关效应起着基础性作用。魔角TwBLG为研究Mott绝缘体态提供了一个新的平台，它可以提供对强关联材料的洞察力，特别是高温超导性。三角形晶格上的自旋和谷结合自由度的丰富性也可以引起如量子自旋液体等外来量子相位。

化学慧定制合成事业部摘录