特邀综述 | 从“魔角”石墨烯到摩尔超晶格量子模拟器

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从“魔角”石墨烯到摩尔超晶格量子模拟器

季怡汝，褚衍邦，冼乐德，杨威，张广宇

物理学报. 2021, 70 (11)：118101

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文章导读

“More is different”，安德森的这篇文章开创了凝聚态物理的时代。随着物理系统的复杂性不断增加，一定会伴随着新的物理性质出现，而这些新的物理并不能从简单的系统中推导出来，而是需要新的解释，新的理论。因此，凝聚态物理中各种复杂的量子多体系统、强关联体系也成为了最让物理学家们着迷的领域。

2018年，一种新的强关联体系首次在实验上实现，不仅验证了理论预测的平带，更是发现了超导态，这就是“魔角”石墨烯体系^[1,2]。“魔角”石墨烯由相对转角为1.1º的两层石墨烯堆垛而成。其核心是形成超晶格结构，使得能带结构拥有很宽的平带，从而得到强关联的一系列现象，包括关联绝缘态^[1]、超导^[2]、铁磁态^{[3, 4]}]等。自从“魔角”石墨烯出现后，其丰富的物理性质以及其衍生的摩尔超晶格体系引起了人们极大的关注。

《物理学报》2021年第11期“特邀综述”栏目邀请中国科学院物理研究所杨威特聘研究员和松山湖材料实验室冼乐德特聘研究员等，撰写了“从’魔角’石墨烯到摩尔超晶格量子模拟器”一文。该综述对摩尔超晶格体系的研究背景进行了详细介绍，重点阐述了转角石墨烯体系的提出与发展历程，进而延伸到摩尔超晶格体系。文章主要分为三个部分：第一部分详细介绍了“魔角”石墨烯的历史发展，从理论上“魔角”石墨烯平带的预测^[5]，到2018年成功获得了“魔角”石墨烯体系^[1,2]；第二部分讲述了自“魔角”石墨烯出现以后，出现的诸多衍生体系，例如ABC堆垛的三层石墨烯和hBN对齐的摩尔超晶格体系^[6—8]、转角双层-双层石墨烯（TDBG）体系^[9—12]、非对称的单层-双层转角石墨烯（TMBG）体系^[13—15]、转角三层石墨烯（1+1+1）体系^{[16, 17]}、以及转角过渡金属硫化物（TMD）体系^[18—24]；第三部分简述了摩尔超晶格体系理论的发展过程^[25]，”魔角“石墨烯实验上的实现带来了摩尔超晶格量子模拟器研究的兴起^[18—20]。最后，文章展望了关于转角超晶格体系未来发展的方向。

转角超晶格体系是当前凝聚态物理研究的一个重要热点研究方向，为人们理解强关联电子体系提供了一个理想的研究平台。本综述着重介绍魔角石墨烯在电子学方面的进展和突破，非常及时和有意义。

图1   “魔角”石墨烯  (a) 摩尔超晶格和摩尔布里渊区示意图^[1]，(b) 能带图^[2]；(c) 半填充的莫特绝缘态和拱形的超导态^[2]；(d) 3/4填充处的量子反常霍尔效应^[4]

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作者简介

杨威

中国科学院物理研究所特聘研究员。

2009 年山东大学物理系获学士学位，2014 年中国科学院物理研究所获博士学位，并荣获中国科学院院长特别奖。先后赴法国巴黎高等师范学校 (ENS)和西班牙光子科学研究所 (ICFO) 做博士后研究，于 2019 年回国加入中国科学院物理研究所。长期从事低维体系量子输运研究，发展了多种极低温高频噪音测量技术，在二维摩尔超晶格、量子霍尔效应、高频热输运、一维量子输运等方向取得了多项重要原创性研究成果，发表在 Nature, Nature 子刊、PRL 等国际一流刊物上，谷歌学术被引 3200 余次。担任 2D Materials “转角电子学”专刊的客座编辑，主持基金委面上项目、科技部重点研发计划等。

冼乐德

松山湖材料实验室二维超晶格模拟与计算团队负责人，特聘研究员。

2014 年博士毕业于美国佐治亚理工大学物理系，2014—2020 年先后在西班牙巴斯克大学、德国马普物质结构与动力学研究所从事博士后研究，曾获欧盟玛丽居里学者奖学金。主要从事对新型二维材料的计算模拟研究工作，在单质二维材料的生长, 结构分析与预测, 以及探索新型转角体系中对二维材料量子物性的调控等方面做出了一系列重要的理论研究, 论文发表在 Nature, Nature Physics, Nature Materials, Nature Communications, Nano Letters, Physical Review Letters 等学术期刊，引用超过 2600 次。近期的研究主要注重在转角二维材料的理论计算模拟方面。