电子携带电能，而振动能则由声子携带。了解它们在某些材料中如何相互作用，例如在两个石墨烯层的三明治中，将对未来的光电设备产生影响。最近的研究表明，石墨烯层相互扭转一个小的“魔角”可以充当完美的绝缘体或超导体。但电子-声子相互作用的物理原理仍然是个谜。作为全球国际合作的一部分，TU/e 研究员 Klaas-Jan Tielrooij 领导了一项关于石墨烯层中电子-声子相互作用的研究。他们有了一个惊人的发现。
电子对两层石墨烯之间的声子说了些什么？
这听起来像是一个物理模因的开始，后面还有一段搞笑的笑点。但Klaas-Jan Tielrooij认为情况并非如此。他是埃塞大学应用物理和科学教育系的副教授，也是发表在《科学进展》上的新作品的研究负责人。
“我们试图了解电子和声子如何在两个扭曲的石墨烯层中相互‘对话’，”Tielrooij 说。
电子是众所周知的与电相关的电荷和能量载体，而声子则与原子晶体中原子之间振动的出现有关。
“声子并不是像电子那样的粒子，它们是一种准粒子。然而，它们与某些材料中的电子的相互作用以及它们如何影响电子的能量损失长期以来一直是个谜。”Tielrooij 指出。
但为什么了解更多有关电子-声子相互作用的知识会很有趣呢？ “这些相互作用会对由石墨烯等材料制成的设备的电子和光电特性产生重大影响，我们将来会看到更多这种材料。”
克拉斯·扬·蒂尔鲁伊
Twistronics：2018 年度突破
Tielrooij 和他分布在西班牙、德国、日本和美国等世界各地的合作者决定研究一种非常特殊的情况下的电子-声子相互作用——在两层石墨烯内，两层石墨烯的层稍微错位。
石墨烯是碳原子排列成蜂窝状晶格的二维层，具有高导电性、高柔性和高导热性等多种令人印象深刻的特性，而且几乎是透明的。
早在 2018 年，麻省理工学院的 Pablo Jarillo-Herrero 及其同事就获得了年度物理世界突破奖，表彰他们在双电子学方面的开创性工作，其中相邻的石墨烯层相对于彼此轻微旋转，以改变石墨烯的电子特性。
扭转并震惊！
“根据石墨烯层的旋转和电子掺杂方式，可能会出现相反的结果。对于某些掺杂，这些层充当绝缘体，阻止电子的移动。对于其他掺杂，该材料表现为超导体——一种零电阻的材料，允许电子进行无耗散的运动，”Tielrooij 说。
这些结果被称为扭曲双层石墨烯，发生在所谓的未对准魔角，即旋转超过一度。 “层之间的错位很小，但超导体或绝缘体的可能性是一个令人震惊的结果。”
石墨烯层相对于彼此扭曲的示例。图片：Klaas-Jan Tielrooij
电子如何失去能量
在他们的研究中，Tielrooij 和团队希望更多地了解电子如何在魔角扭曲双层石墨烯（简称 MATBG）中损失能量。
为了实现这一目标，他们使用了一种由两片单层石墨烯（每片厚度为 0.3 纳米）组成的材料，将两片单层石墨烯叠放在一起，并且相对于彼此错位约 1 度。
然后使用两种光电测量技术，研究人员能够详细探测电子-声子相互作用，并取得了一些惊人的发现。
“我们观察到，MATBG 中的能量消失得非常快——它发生在皮秒时间尺度上，即百万分之一秒！”蒂尔鲁伊说。
这种观察比单层石墨烯的情况要快得多，特别是在超冷温度（特别是低于-73摄氏度）下。 “在这样的温度下，电子很难将能量传递给声子，但在 MATBG 中却发生了这种情况。”
我们观察到能量在 MATBG 中消失得非常快——它发生在皮秒时间尺度上，即百万分之一秒！
显示能量松弛与扭转角度的控制的插图。图片：作者
为什么电子会失去能量
那么，为什么电子通过与声子的相互作用如此快地失去能量呢？事实证明，研究人员发现了一个全新的物理过程。
日本东京工业大学的 Hiroaki Ishizuka 补充道：“强电子-声子相互作用是一个全新的物理过程，涉及所谓的电子-声子 Umklapp 散射。”他与马萨诸塞州的列昂尼德·列维托夫 (Leonid Levitov) 共同发展了对该过程的理论理解。美国理工学院。
声子之间的 Umklapp 散射是一个经常影响材料传热的过程，因为它使得相对大量的动量能够在声子之间传递。
“我们一直看到声子-声子 Umklapp 散射的影响，因为它会影响（非金属）材料在室温下的导热能力。例如，想想锅柄上的绝缘材料，”石冢说。 “然而，电子声子 Umklapp 散射很少见。不过，在这里我们第一次观察到电子和声子如何通过 Umklapp 散射相互作用来耗散电子能量。”
强电子-声子相互作用是一个全新的物理过程，涉及所谓的电子-声子乌姆克拉普散射。
共同解决挑战
Tielrooij 及其合作者可能在西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所 (ICN2) 工作期间完成了大部分工作，但正如 Tielrooij 指出的那样。 “事实证明，国际合作对于这一发现至关重要。”
那么，所有合作者如何为这项研究做出贡献呢？ Tielrooij：“首先，我们需要先进的制造技术来制作 MATBG 样品。但我们还需要对样本中发生的情况有深入的理论了解。除此之外，还需要超快光电测量装置来测量样品中发生的情况。”
事实证明，国际合作对于这一发现至关重要。
Tielrooij 和团队从慕尼黑路德维希马克西米利安大学的 Dmitri Efetov 团队收到了魔角扭曲样本，该团队是欧洲第一个能够制作此类样本的团队，并且还进行了光混合测量，同时在麻省理工学院进行了理论工作。事实证明，美国和日本东京工业大学对这项研究的成功至关重要。
在 ICN2 上，Tielrooij 和他的团队成员 Jake Mehew 和 Alexander Block 使用尖端设备，特别是时间分辨光电压显微镜来测量样品中的电子-声子动力学。
未来
那么，这些材料的未来会是什么样子呢？根据 Tielrooij 的说法，不要期待太快。
“由于这种材料的研究才几年时间，我们距离看到魔角扭曲双层石墨烯对社会产生影响还有一段路要走。”
但关于材料中的能量损失还有很多值得探索的地方。
“未来的发现可能会对电荷传输动力学产生影响，这可能会对未来的超快光电子设备产生影响，”Tielrooij 说。 “特别是，它们在低温下非常有用，因此该材料适合空间和量子应用。”
Tielrooij 和国际团队的研究在电子和声子如何相互作用方面取得了真正的突破。
但我们还需要等待一段时间才能完全理解石墨烯三明治中电子对声子的影响。
更多信息
Ultrafast Umklapp-assisted electron-phonon cooling in magic-angle twisted bilayer graphene, Mehew et al., Science Advances, (2024).
DOI：10.1126/sciadv.adj1361
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