炸裂！曹原等人今日再发2篇Nature！

当具有相似晶格常数的两个单层二维范德华材料垂直堆叠且略微未对准时，则会呈现出周期性莫尔图案，从而改变材料的电子态，出现电子平带。2018年，来自麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队在~1.1°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。

2018以来，Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队为代表的国内外科研团队在魔角石墨烯领域取得大量进展。就在上周，Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队刚刚在Nature发表成果，同时进行热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的对称性破缺多体基态和非平凡拓扑现象。

短短一周之后的今天，Erez Berg，Pablo Jarillo-Herrero，Shahal IlaniPablo 和曹原团队，Andrea F. Young 团队各自独立在Nature发表2篇论文，报道了魔角石墨烯的最新突破！

第一作者：Asaf Rozen, Jeong Min Park, Uri Zondiner, 曹原

通讯作者：Erez Berg，Pablo Jarillo-Herrero，Shahal Ilani

通讯单位：以色列魏茨曼科学研究所，麻省理工学院

第一作者：Yu Saito, Fangyuan Yang

通讯作者：Andrea F. Young

通讯单位：美国加州大学圣巴巴拉分校

温度高低与电子运动的关系

通常，电子在更高的温度下会更加自由地运动。然而，近期的研究已经观察到，在一个由两块堆叠且稍有错位的石墨烯薄片组成的体系中，当温度升高时，电子却会一反常态，被“冻结”。

温度越高，电子越“冻结”

物质中的粒子在较高的温度下会随机地剧烈运动，从而导致固体在临界温度以上熔化成液体。在热力学中，更高的温度有利于形成具有更大熵的状态。由于原子的运动更无序，液态物质的熵通常比固态物质的熵大。然而，氦-3却是一个例外，当温度升高时，它会冻结成固体。该现象之所以会发生是因为固态³He的熵比液体的更大——这是一种与³He原子的自旋(角动量)波动有关的现象，这种行为被称为Pomeranchuk效应。近日，以色列魏茨曼科学研究所的Erez Berg，Shahal Ilani教授和麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授等人以及美国加州大学圣巴巴拉分校的Andrea F. Young教授等人分别在《Nature》杂志上发表文章，描述了石墨烯体系中的类似效应，发现电子随着温度升高而“冻结”。

图1 魔角扭曲双层石墨烯的相变

该体系由两层堆叠的石墨烯组成，上层薄片与下层薄片扭曲错位，形成了一种moiré模式的原子周期性排列。当扭曲角度约为1°时，扭曲双层石墨烯中的电子能带变得接近平坦，此时电子的速度比正常速度要低得多。此时电子的行为被它们之间的斥力相互作用所控制，从而导致出现了5-8层石墨烯中不存在的相。在低温下(低于5-10开尔文)，当电子数被调谐到填满一个或多个1 / 4平带时，由于电子之间的相互作用，通常会形成一个电绝缘相。相反，系统要么成为金属(低电阻)，要么成为超导体(零电阻)。

图2 双层石墨烯中的Pomeranchuk效应

图3 魔角石墨烯中的Pomeranchuk效应

金属可以被广泛认为是电子的液态，物理学家通常称之为费米液体。而绝缘体则可以看作是电子的固态，电子被冻结在一定位置，并排列成有序的阵列。在大多数情况下，因为电子更有序，使得绝缘体态比金属态的熵更低。因此，当温度升高时，绝缘体通常会变成金属。而近期发表在《Nature》的2篇研究表明在魔角扭曲双层石墨烯中观察到了恰恰相反的现象。通过测量该体系中的电输运行为，发现随着温度的升高，当电子数调整到近1/4平带时，扭曲双层石墨烯会从金属态转变为高阻态，接近于电绝缘体。这种转变发生在10 K左右的温度下，而近乎绝缘的阶段持续到70-100 K左右。

研究表明，电子的Pomeranchuk效应是一种类似于³ He原子所观察到的现象。除此之外，为了理解该效应的起源，研究者们测量了1/4平带填充的扭曲双层石墨烯的熵，并发现高温近绝缘相中每个电子的熵均大于低温金属相中每个电子的熵。

未来的研究方向会在哪儿呢？

新的发现也留下了许多悬而未决的问题：

1、低温金属与高温近绝缘相是通过一级相变分离的，还是存在更平稳的过渡?

2、为什么在魔角扭曲双层石墨烯平带结构的其他1/4填充(即平带是1/2和3/4填充时)中没有Pomeranchuk效应？

参考文献

1、Rozen, A., Park, J.M., Zondiner, U. et al. Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene. Nature 592, 214–219 (2021).

DOI: 10.1038/s41586-021-03319-3

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03319-3

2、Saito, Y., Yang, F., Ge, J. et al. Isospin Pomeranchuk effect in twisted bilayer graphene. Nature 592, 220–224 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03409-2

3、Biao Lian. Nature 592, 191-193 (2021)

DOI: 10.1038/d41586-021-00843-0

https://doi.org/10.1038/d41586-021-00843-0