加州理工学院Nature: 魔角三层石墨烯中的谷间相干序成像

2023年11月15日，Nature在线发表了加州理工学院Hyunjin Kim和Stevan Nadj-Perge课题组的研究论文，题目为《Imaging inter-valley coherent order in magic-angle twisted trilayer graphene》。

自发对称性破缺是凝聚态物理的基础，因为以前未知量子相的出现通常伴随着对称性的减少。在强关联领域，超导性通常与其他形式的对称性破缺同时发生，研究它们之间的复杂关系对许多平台来说都是一个深刻的挑战，这些平台包括不断增长的转角石墨烯多层材料家族。魔角转角三层石墨烯（MATTG）表现出一系列强关联的电子相，这些电子相自发地破坏了其潜在的对称性。

在此研究中，作者使用扫描隧道显微镜（STM）研究了MATTG的关联相，并识别了相互作用驱动空间对称性破缺的显著特征。在低应变样品中，在每个莫尔晶胞大约两到三个电子或空穴的填充范围内，研究观察到石墨烯晶格的原子尺度重构，该重构伴随着隧道光谱中的关联带隙。这种短尺度的重构表现为一个Kekulé超胞，意味着电子之间自发的谷间相干性，并在与带隙发展相一致的宽范围磁场和温度下持续存在。覆盖几个莫尔晶胞的大尺度图进一步揭示了Kekulé模式的缓慢演化，表明原子尺度的重构与在更长莫尔尺度上的平移对称性破缺共存。使用自关联和傅立叶分析来提取这些相的本征周期性，并发现它们与理论上提出非公度的Kekulé螺旋（IKS）序相一致。此外，研究发现当空穴掺杂远离能带的半填充时，表征莫尔尺度调制的波长单调减小，并且对磁场的依赖性较弱。这项研究结果为在存在应变情况下MATTG关联相的性质提供了重要见解，并表明超导性可以从谷间相干母态中产生。

图1 实验概述和揭示Kekulé模式的原子解析图

图2 MATTG上Kekulé序的V_Gate依赖映射

图3 莫尔平移对称性破缺的证据

图4 从傅立叶变换图中提取IKS波矢

【论文链接】

Kim, H., Choi, Y., Lantagne-Hurtubise, É. et al. Imaging inter-valley coherent order in magic-angle twisted trilayer graphene. Nature, 2023. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06663-8

【其他相关文献】

[1] Park, J.M., Cao, Y., Watanabe, K. et al. Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene. Nature, 2021, 590, 249–255. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03192-0

[2] Kim, H., Choi, Y., Lewandowski, C. et al. Evidence for unconventional superconductivity in twisted trilayer graphene. Nature, 2022, 606, 494–500. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04715-z

[3] Park, J.M., Cao, Y., Xia, LQ. et al. Robust superconductivity in magic-angle multilayer graphene family. Nat. Mater., 2022, 21, 877–883. https://doi.org/10.1038/s41563-022-01287-1

[4] Nuckolls, K.P., Lee, R.L., Oh, M. et al. Quantum textures of the many-body wavefunctions in magic-angle graphene. Nature, 2023, 620, 525–532. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06226-x