如何评价「天才少年」曹原再次连发两篇魔角石墨烯的 Nature？-1

让我们先从头来看看各种转角碳基薄层异质结的物理特征。周期体系在经过非公度调制之后会得到一个更大的周期结构，在凝聚态系统中这样的超晶格体系往往都可以使用“能带折叠”的方法，即不断的将原来体系的布里渊区进行折叠操作。而MacDonald在2011年著名的PNAS中使用的，就是这样的思想。物理上，将原本石墨烯的布里渊区不断向两个能谷折叠，能谷处的狄拉克点会出现很多精细结构~meV，最后会得到一个在某个能谷附近的有效峰巢格子，其A格点属于上层石墨烯，B格点属于下层石墨烯，格点之间的三种跃迁即为层间跃迁在新的布里渊区也叫Moire布里渊区的投影。新的Moire BZ中的有效激发不再是满足原来石墨烯BZ的Bloch电子，而是满足Moire周期的Moire电子。可以想想，折叠之后的Moire BZ的体积极小，对应实空间的体积非常大，于是电子浓度非常稀薄，可以被上下的“gate”非常好的调制。

由前所论述，在Dual-gate的device中，电场的效应，磁场的效应( )都被大大的放大的。这种Moire电子良好的可调制性大大扩展了物理学家们能搜索的相空间——在这样的体系中，人们已经实现了(或者模拟了)：Hofstadter蝴蝶，高温超导现象(?)，Mott-Hubbard 绝缘态，可电场调控的铁磁性，量子反常霍尔效应(?)以及其电流、载流子浓度的调控。非碳基的体系上还实现了很多诸如wigner晶体之类的空间序。理论家们还预言了诸如分数化陈绝缘体，脆弱拓扑，高阶拓扑，光场致拓扑相变等等一系列从未观测到的新奇物态，是一个让物理学家们非常兴奋的体系。

好了，有了这样的背景让我们来看看这个文章做了什么。与此文之前的体系中，大家用的比较多的是单层石墨烯扭转之后形成的异质结。这样的异质结上已经看到了超导、相互作用引起的绝缘体，Hofstadter蝴蝶等等态。人们很自然的开始预言，两个双层石墨烯在扭转之后会产生什么样新奇的物态？

首先，这样的体系对称性比较低，由于不再具有C2T对称性，因此在点中性点附近的无能隙态可以被电场有效的打开gap，导带和价带和远方的带也能打开能隙，形成了“孤立”的能带，这两条能带依然比较平，甚至远方的带还可以很平，在此文中以”多平带”冠名。

一个自然的想法是，这样的体系中是不是也会出现超导态？这样的思想驱使着人们做更多的device来找这样的电子态。这篇文章和好几个组的twisted double bilayer graphene(TDBG)一样很早就挂在了arXiv上，其中不按照先后顺序包括:Asvin组的理论1903.08685，Philip Kim组的arXiv:1903.08130, Guangyu Zhang组的1903.06952v1，Pablo组的1903.08596（本文，看起来很快也要加上v1了）最后是Matt组的arXiv:2002.08904。一开始，前三篇文章说的是在这个体系中看到了超导态，除了PK组，其他组的已发表的工作中均已删除了这一论述。在arXiv:2002.08904中还详细讨论了多个devices以及多体态周围的相空间中测量到可能的超导信号(非线性微分电导)，并将其归功于一个平庸的解释，居里热。

（可能）没有了超导态，人们还是把视野转向到了研究这样的多体关联绝缘态具有如何的性质。还是先看理论(即便出现在实验之后)。根据朗道对称破缺理论(先研究好研究的)，不考虑空间对称性破缺，体系目前具有Valley(i.e., 在前面的“能带折叠”图像中，可以往不同的能谷折叠)和Spin对称性，在无相互作用模型中，Spin是完全简并的，Valley则由时间反演对称性互相联系。考虑这个体系的对称性破缺就变成了一个 可能的分解的问题，和TBG没有什么很大的区别。对于 等于2的态，也就是一个元胞有两个电子，可能的序包括自旋极化态、谷极化态、自旋谷锁定态、谷间相干态，自旋-谷间相干态锁定态等。而对于一个元胞具有一个电子，对称性打破的更厉害，因此只能有自旋-谷完全极化态，自旋极化-谷间相干态，自旋谷锁定-谷间相干态。而简单的投影相互作用给出的Hatree Fock计算，认为可能的谷间相干态不太可能出现。物理上也比较好理解，这样的谷间相干态（类似于exciton的序参量）又承载着非零的Chern number，因此在K空间里一定要激发一些vortex结构(个数和Chern number 有关)，在相互作用各向异性不大的时候，这样的态是更耗能的。

回归正文，这个Nature给出了体系的关联态是自旋极化态的实验证据。

图1给出了制作的器件的示意图，上下dual-gate，和是doping，差是电场。一些微小的注意事项是，这个器件使用的是“金属gate”，而非一般大家使用(保险，但更难，更可能没必要)薄层石墨gate。c d e展示了不同的角度的device电阻对浓度的依赖。可见很多角度都可以变得的非常厉害，有能带理论解释不来的态出现。然后f就给出了dual-gate的map。一个小问题是，为什么在Ns之外，体系没有变成一个金属，而依然比较绝缘？能想到的可能的解释是，设计金属gate的时候有一些瑕疵，使得电极处露出了一些多余的样品区域，使得在大电场的情况下contact变得非常差。一般出现这样的现象首先会想到用底下的silicon gate“亡羊补牢”。好了，忽略这些细节，最后一张图讲的是相互作用绝缘态载流子的浓度变了。

图2开始讨论这些态的a可调性，b变温，c”能隙”图，d暗示的超导态,efg能带图。注意到正如之前分析的，e中在0能隙附近有一个微微小的gap，这是由于twisted layer 有一个小的particle-hole assymetry term导致的。

本文的重中之重就是图3，给出了半占据态是自旋极化的证据。方法是分别加面外和面内磁场，abc中我们看到，加面外磁场这些绝缘态有一个很大的偏离，并出现了nu = 3的态(b中有很多线状的和震荡的特征，有点意思)，加面内磁场则移动不大，也出现了nu=3的态。这三个图其实非常干净，这样的绝缘态的测量确实非常难测稳，还要注意居里热。调整电场并测变磁场，在面外磁场达到5T时发生了一个类似相变的信号。f,g综合了响应的变温信号，更清楚的给了相变和拟合出来的g=1.5因子(面内)，g=3.5面外，面内g值非常接近自旋贡献g=2的理论值(用excitation gap拟合出来较小很正常)。结合理论，一个比较好的解释是这是一个自旋极化的态。

图4给出了另一些很小角度的device的图，观测到了可能有多个平带的信号。

这篇文章虽然没有像之前一样搞了个”breaking new”，但是还是稳扎稳打，给出了不少多体的输运信号，也给了理论进一步的数据支持。

转角碳基异质结是一个高速发展的领域，尤其是最近，在twisted monolayer bilayer Gr中还做出来了(可能的)令人惊叹的C=2 的QAH。这样的简单粗暴但又粗中带细的小心测量的nature可以推动这个领域继续坚实、可靠可重复但又大胆的良性发展下去。

作者：匿名用户
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来源：知乎
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