2024年9月19日，Phys. Rev. Lett.在线发表了美国罗格斯大学Yueqing Chang和J. H. Pixley课题组的研究论文，题目为《Vacancy-Induced Tunable Kondo Effect in Twisted Bilayer Graphene》，论文的第一作者为Yueqing Chang。
转角范德华异质结在凝聚态物理界掀起了一股风暴。自从第一个实验证据表明转角双层石墨烯（TBG）在转角~1°处能带重构和平带的出现以来，一系列的实验和技术突破为发现和可重复观察魔角TBG中的关联绝缘态和超导性铺平了道路，突显了这些莫尔材料的巨大潜力和有趣特性。这些想法现在已经扩展到转角双层过渡金属硫族化合物（TMD）、量子磁体、高温超导体和光学晶格中的玻色子超流体。为了揭示莫尔材料中潜在的多体态本质，有必要利用现有的实验能力探索提取电子关联性的新方法。
一个潜在且富有成效的方向是探索杂质态的本质，用扫描隧道显微镜（STM）精确测量以深入了解杂质态耦合的多体基态。例如，超导体中杂质诱导共振的隧道光谱揭示了配对对称性的特征。对于单层石墨烯，创建与巡游电子强烈耦合的杂质态是一个挑战，直到人们意识到空位诱导的束缚态就像自旋1/2空穴一样，起源于空位最近邻的σ态，由于空位附近的局域曲率而耦合到π带。这代表了赝能隙安德森（Anderson）杂质模型（AIM）的明确实现，该模型在非零近藤（Kondo）耦合处具有量子临界点。然而，尽管在石墨烯中观察到近藤屏蔽，但由于空位态缺乏可调性，实验观察到这一量子临界点仍然遥不可及。
在此研究中，作者展示了这些空位诱导的杂质态如何在TBG中存活，从而提供了一个可调体系来探测赝能隙中近藤效应的临界破坏。采用从头算和原子尺度模型确定了TBG中魔角附近空位态的性质，证明了空位可以被视为量子杂质。利用这一见解，构建了一个带有TBG的Anderson杂质模型，使用数值重整化群结合核多项式方法求解。确定了模型的相图，并展示了AA/BB与AB/BA隧穿区中空位之间是如何严格二分的。在AB/BA空位中，由于魔角处的多重分形波函数，近藤温度在魔角处呈宽分布，并呈尾状消失温度。这项研究认为空位附近的STM可以作为魔角TBG中临界单粒子态和潜在多体基态的探针。
图1 具有一个空位的TBG原子尺度模型
图2 TBG有效晶格模型的杂化函数
图3 量子杂质模型的求解
论文链接
Chang, Y., Yi, J., Wu, A. et al. Vacancy-Induced Tunable Kondo Effect in Twisted Bilayer Graphene. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 126503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.126503
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