出手就是8篇Nature，石墨烯还是当年那个石墨烯吗？

小纳米

2020-09-21

石墨烯还是当年那个石墨烯，只不过对于石墨烯的热门研究，终究还是回归到物理。我们整理了2020年以来，Nature报道的石墨烯相关的7篇研究成果，大多是关于魔角石墨烯，供大家参考学习。

1. Nature：在屈曲结构石墨烯中发现平带和强相关相

在石墨烯等二维原子晶体中产生平带，赋予了材料更多新奇的性质和功能。平带促进了电子与电子的相互作用，可以导致强相关相的出现，譬如超导。实现平带的一种常见的方法是通过控制魔角石墨烯的扭曲角度，然而其操作要求过于严格和精准，不利于广泛使用。

有鉴于此，美国美国罗格斯大学Eva Y. Andrei、Yuhang Jiang等人发展了一种不需要通过精准调控的新策略，可以更简单的再二维原子晶体中实现平带。石墨烯之父、诺奖得主Andre K. Geim教授作为共同作者参与本项研究工作。

本文要点：

1）研究人员使用扫描隧道显微镜和数值模拟证明，置于原子级平滑基底上的石墨烯单分子层会被迫进行屈曲转变，从而产生具有周期性调制的赝磁场，从而反过来产生具有平带的“post-石墨烯”材料。

2）进一步，研究人员采用静电掺杂的手段将费米能级引入这些平带中，观察到强相关状态的出现。

总之，这项研究发现屈曲结构可以实现二维晶体的平带和强相关态的出现，为创建新型超晶格系统提供了一种全新的策略。

Jinhai Mao et al. Evidence of flat bands and correlated states in buckled graphene superlattices. Nature 2020, 584, 215–220.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2567-3

2. Nature：在多层菱面石墨中发现电子相分离

石墨具有两种较为稳定的结构：六方晶系和菱面体。其中，六方晶系石墨已被广泛研究，菱面石墨因为稳定性较差，迄今为止尚未进行详细的研究。然而，大量理论预测表明，菱面石墨其中具有很多未可知的新奇性质。近年来，范德华异质结技术的不断发展使得制造厚达50个石墨烯层的高质量菱面体石墨膜并研究其传输性能成为可能。

有鉴于此，美国曼彻斯特大学Artem Mishchenko等人发现，菱面体石墨中的体电子态是有间隙的，而且，在低温条件下电子传输受表面态支配。

本文要点：

1）基于这种拓扑特性，表面态具有足够高的质量以观察量子霍尔效应，即菱面体石墨在无间隙半金属相和具有巨大贝里曲率的带隙量子自旋霍尔相之间发生相变。研究发现，通过施加垂直电场破坏其反演对称性，也可以在表面态中打开能隙。

2）除此之外，研究人员发现，在小于4 nm的菱面体石墨中，即使没有外部电场也存在间隙。这种自发的间隙开口显示出明显的磁滞现象和电子相分离的其他特征，研究人员认为这是因为高度相关的电子表面态的出现所导致。

总之，这项研究为菱面石墨的研究提供了新的借鉴，未开发具有更多新奇性质和物理现象提供了更多可能。

Yanmeng Shi et al. Electronic phase separation in multilayer rhombohedral graphite. Nature 2020, 584, 210–214.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2568-2

3. Nature：魔角石墨烯推广到其他二维体系

2018年，来自麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。

有鉴于此，Pablo Jarillo-Herrero课题组致力于通过对扭转角的控制，将魔角特性推广到其他二维研究体系，以调谐和控制电子-电子相互作用的强度，实现相似的物理行为。

本文要点：

1）他们采用了一种全新的魔角石墨烯体系：基于小角度扭曲的双层-双层石墨烯（TBBG）。该体系由两层旋转的伯纳尔堆叠的双层石墨烯组成，TBBG具有丰富的相图，具有可调的相关绝缘体状态，对扭转角和电场位移场都高度敏感。

2）与魔角扭曲双层石墨烯不一样的是，在该体系中的相关态对磁场响应，证明了自旋极化基态的存在。

这些结果对于探索多平带扭曲超晶格中扭曲角和电场控制的相关相态起到了重要推动作用。

Yuan Cao et al. Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene. Nature 2020

DOI: 10.1038/s41586-020-2260-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

4. Nature：魔角石墨烯扭曲角的分布信息

2018年，来自麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。

有鉴于此，研究团队系统研究了扭曲角的分布信息，以加深对魔角石墨烯的理解和进一步应用。

本文要点：

1）以六方氮化硼（hBN）封装的MATBG为研究对象，使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置（SQUID-on-tip）获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像，并绘制了局部θ变化图。该设备的相对精度达到0.002度，空间分辨率为几个莫尔周期。
2）研究发现，θ无序程度与MATBG传输特性的质量之间存在相关性。即使是使用最先进的设备，其θ的局部变化也高达0.1度。而且，MATBG中的相关状态相对于扭曲角的异常特别脆弱。

总之，这项研究证明了θ无序作的重要性，为相关物理现象的实现和应用提供了指导。

A. Uri, et al. Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene. Nature 2020

DOI: 10.1038/s41586-020-2255-3

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

5. Nature：双层魔角石墨烯中的绝缘态/超导态

超导和相关绝缘态共存的魔角扭转双层石墨烯中，这些态之间的关系有重要意义，分别对其中对这种相进行控制的微观机制加深了对其中错综复杂的相互作用的理解。

有鉴于此，巴塞罗那科学技术学院Dmitri K. Efetov等报道了这种扭曲双层石墨烯中的电子相互作用的调控。

本文要点：

1）通过在低于15 nm（Wannier轨道的大小）和改变的石墨烯扭角（魔角附近1.10±0.05°）的过程中，调节石墨烯和金属屏蔽层之间的距离，通过这种作用消除了绝缘态同时生成超导态。

2）此外，作者发现这种半填充的绝缘态在外加0.4 T的磁场作用中重新产生，并生成Chern数为2的霍尔态。

3） 作者发现Coulomb相互作用是形成相称绝缘子（commensurate insulator）的原因，而超导现象是通过更加传统的机理得到。双层魔角石墨烯中超导态的反常特征产生了超低的载流子浓度，暗示了电子-声子之间相互作用的原理。在实验中发现的弱磁场诱导产生的半填充绝缘态重新出现说明在这种系统中的强相互作用。

该研究为理解双层魔角石墨烯中的绝缘态和超导态之间的关系提供了经验，并为理解具备强相互作用的超导体系的微观机制提供了方案。

Petr Stepanov, et al. Untying the insulating and superconducting orders in magic-angle graphene, Nature 2020

DOI：10.1038/s41586-020-2459-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2459-6

6. Nature：扭角双层石墨烯中的自旋极化态、超导态观测

通过降低晶格中低于长程Coulomb相互作用能的电子能量能带，能有效促进相关性。通过范德瓦尔斯作用力堆叠而成的具有一定角度构成的Moiré超晶格，能够对电子相关能带结构进行调控。并且在Moiré平带中产生了奇特的量子态结构，在最近的发现中研究者在魔角双层石墨烯中发现了绝缘态、超导态、量子反常霍尔效应等量子态。此外，这种范德瓦尔斯Moiré超晶格结构的电子学相关性质能够通过调控层间耦合、调控层中能带结构调控。

有鉴于此，哈佛大学Philip Kim 、Xiaomeng Liu等在扭角双层石墨烯结构中展示了通过垂直于石墨烯的电场对一系列扭角平带电子能带结构的调控。

本文要点：

1）作者发现，和魔角双层石墨烯体系类似，这种扭角双层石墨烯在半填充、四分之一填充的平带体系中展现了相关绝缘态，该现象和魔角石墨烯中的现象类似。

2）作者发现这些绝缘态随着层间磁场的增加而提高，展示了铁磁有序状态。在半填充状态中，作者发现了随着温度降低发生了电阻突降。这种现象只有在密度-电场平面（density–electric-field plane）的限域区域中才能发现，作者将这种现象归结于金属态和自旋极化态之间的相变过程。

总之，这种自旋极化相关态的发现为相关量子相变化调控提供了新方法。

Xiaomeng Liu, et al. Tunable spin-polarized correlated states in twisted double bilayer graphene, Nature 2020

DOI：10.1038/s41586-020-2458-7

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2458-7

7. Nature：魔角双层石墨烯中通过电子填充测试探索引发超导等特殊电子态的原因

魔角石墨烯展现出丰富的电子相关物理学现象，包括绝缘性、超导相、磁性等，理论预测结果显示这种体系中的电子能带结构在靠近魔角附近的区域显示丰富的对称性破缺态。

有鉴于此，麻省理工学院P. Jarillo-Herrero、以色列魏茨曼科学研究所S. Ilani等报道了对魔角石墨烯的电子态（局部电子压缩性）进行表征。

本文要点：

1）在六方BN上负载魔角双层石墨烯，BN材料放置于金属背栅(back-gate)电极上，魔角双层石墨烯上表面负载上六方BN。随后在BN/魔角石墨烯/BN上通过连接电极测试四探针纵向电阻随着不同电子填充的变化过程。

2）作者发现当向体系中加入载流子后，发现了四种电子优选态，分别对应了不同的自旋和能谷，同时电子的填充并不是等性填充过程。反之，电子的填充过程经历了一系列的相转变过程，其中显示出在摩尔晶格整数填充附近压缩的电子态发生非对称性的跃迁。

3）在每个跃迁的转化点附近，作者发现发生了重置（resetting）到电中性点的过程，因此在每次整数电子填充后形成了Dirac特征的电子。通过测试面内的磁场与化学势之间的关系，作者揭示了同时发生的磁化过程，进一步展示了这种相关的对称性破缺过程。

总之，这项研究表明，这种在高于超导/相关绝缘态的温度检测到的相转变过程和Dirac变化过程说明了这种前驱态（parent state）对产生超导态和相关绝缘态有重要关系。

U. Zondiner, et al. Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic-angle graphene, Nature 2020

DOI：10.1038/s41586-020-2373-y

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2373-y

8. Nature: 魔角扭曲双层石墨烯的电子态转变

Ali Yazdani课题组在魔角石墨烯领域也不遑多让，2019年7月，他们就曾在Nature报道过魔角石墨烯的谱学研究。

近日，在之前工作上的进一步升级，普林斯顿大学Ali Yazdani课题组报道了高分辨率扫描隧道显微镜观测魔角扭曲双层石墨烯的谱学性质随电子填充函数的级联过渡。

本文要点：

1）研究发现，在摩尔纹平带的每个整数填充处，化学势都有明显变化，并且低能激发发生了重排。这些谱学特征是库仑相互作用的直接结果，库伦相互作用将简并的平带划分为哈伯德子带。

2）这些相互作用对垂直磁场异常敏感，磁场可强烈地改变谱学跃迁。最终，研究表明，在低温下，魔角扭曲双层石墨烯中会出现各种绝缘和超导基态相。

总之，这项研究为魔角石墨烯的谱学研究提供了新的思路。

Dillon Wong et al. Cascade of electronic transitions in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature 2020.

DOI：10.1038/s41586-020-2339-0

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2339-0

石墨烯，有没有用？

答案是肯定的！

天生我材必有用，何况是诺奖。

至于怎么用，就看你的本事了！