魔角石墨烯又登Science！太强了！

摩尔超晶格（Moiré superlattices）最近已经成为研究相关物理学和超导性的平台，具有前所未有的可调节性。尽管在其他几个摩尔系统中也观察到了相关效应，但魔角扭曲双层石墨烯仍然是唯一一种可重复测量到强超导性的石墨烯。

2021年2月1日，天才少年曹原在Nature上发表了文章，魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)中发现了摩尔超导，其电子结构和超导性能的可调性优于魔角扭曲双层石墨烯。

2021年2月4日，哈佛大学Philip Kim在Science发表文章，Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene，即交变扭曲魔角三层石墨烯中的电场可调超导。相比于曹原的Nature（发现了魔角扭曲三层石墨烯中的摩尔超导），本文直接利用电场对超导进行了调节。

2022年4月7日，Science再次报道在魔角扭曲三层石墨烯的重要进展，通讯作者是哥伦比亚大学物理系的Abhay N. Pasupathy教授。使用扫描隧道显微镜仔细检查堆叠结构。他们发现，顶层和底层之间的小错位导致晶格重新排列成三角形域的模式。这些域具有神奇的魔角扭曲三层结构，并由线和点缺陷网络隔开。

在预测扭曲三层石墨烯（TTG）的魔角后，很快就观测到了超导性和场依赖性量子干涉。这组属性使TTG成为魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）之外唯一表现出超导过渡和宏观量子相位相干特征的摩尔异质结构。由于TTG和MATBG具有双重旋转对称性C_2z的独特属性，因此有人提出，这种对称性对于建立扭曲石墨烯的超导性至关重要。

TTG的超导性似乎比MATBG更强，第一代器件的临界温度（T_c）高达2.9 K。这导致人们猜测，魔角TTG在结构上比MATBG更稳定，将实验器件锁定在具有关键C_2z对称性的镜像对称配置中。理论工作提出了镜像对称构型的几个奇异阶，包括自发味对称破缺、向列型超导和自旋三重态配对。然而，到目前为止，关于这种材料的原子或电子结构的实验信息很少；即使是超导器件拥有理论预测所依据的镜像对称堆叠的最基本假设，也没有直接的实验证实。

作者使用超高真空扫描隧道显微镜和光谱（STM/S）在4.8至7.2K的温度下进行原子尺度成像功能，直接表征魔角TTG的电子结构，并观察到了超导性。真正的三层样本经历了对摩尔晶格的强烈重建，该格将图层锁定为近魔角角度的镜像对称域，其大小与超导相干长度相当。这种弛豫引入了一系列局部扭转角断层，称为扭转断层和摩尔孤子，其电子结构与背景区域严重偏差，导致依赖掺杂的空间颗粒电子景观。在输运测量中观察到超导的掺杂中，费米能级的态密度是均匀最大化的。

图文详情

图1. STM观测扭曲三层石墨烯

图2. 在1.55°时的STM图像和光谱

图3. 莫尔晶格重构

图4. 相关间隙和平带共振

原文链接：

Turkelet al., Orderly disorder in magic-angle twisted trilayer graphene. Science376, 193–199 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1895