8篇Nature后再发Science，石墨烯宝刀未老！
小纳米
第一作者：Daniel J. Rizzo，Gregory Veber，Jingwei Jiang
通讯作者：Michael F. Crommie、Felix R. Fischer、Steven G. Louie等人
通讯单位：加州大学伯克利分校
本文要点：
1. 发展了一种零能模超晶格策略，实现了金属石墨烯纳米带的合成。
2. 探究了金属石墨烯纳米带能带调控的机制和策略。
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石墨烯领域的研究更加趋于成熟，一方面产业化越来越多，另一方面前沿热门研究似乎越来越少。然而实际上，石墨烯却依然在前沿领域保持高速发展。一方面是因为魔角石墨烯的缘故，另一方面便是得益于石墨烯纳米带。
常规的石墨烯电子结构中不存在能隙，有趣的是，由石墨烯制成的一维带状结构却是具有能带结构的半导体。同样是一维材料，同样是碳，石墨烯纳米带和碳纳米管却截然不同：孤立的扶手椅和锯齿状石墨烯纳米带始终具有与带宽成反比的带隙。如果能在石墨烯纳米带中引入金属性，就为探索单维奇异量子相、Luttinger液体，等离激元，电荷密度波和超导等许多新兴的物理现象提供了更多机会。
碳纳米管可以凭借手性引入金属性，而石墨烯纳米带中引入金属性，却是一件颇具挑战的事情。这是因为，当在纳米尺度上构建石墨烯时，横向量子限制和多电子相互作用会引起电子带隙。因此，即便精妙的合成策略可以确保原子精确的石墨烯纳米带的精准设计和表征，但是在其中引入金属性的策略却玄之又玄！
有鉴于此，加州大学伯克利分校的Michael F. Crommie、Felix R. Fischer和Steven G. Louie等人发展了一种零能模超晶格策略，实现了金属石墨烯纳米带的合成，扫描隧道显微镜以及DFT计算对金属性进行了验证和确认。
图1. 锯齿状石墨烯纳米带的合成
研究人员通过将零能模对称超晶格插入半导体石墨烯纳米带中，实现了一种在石墨烯纳米带中诱导金属性的通用策略。结果表明，通过有意地使子晶格对称性破裂来控制零模波函数的重叠，可以在很大范围内调节石墨烯纳米带的金属带宽。
图2. 零模能带结构
研究发现，零模仅局限于石墨烯的两个亚晶格（即亚晶格极化态）中的一个，会导致窄带金属相驻留在磁性体的边界处而不稳定。但是，通过有意破坏石墨烯纳米带的两部分对称性，可以将这些石墨烯纳米带的金属带宽增加20倍以上，从而获得稳定的金属性。
图3. 零模能带调控工程
总之，这项研究为控制石墨烯纳米带金属性提供了新思路，有力地石墨烯纳米带的电子结构调控的新方向。
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参考文献：
Daniel J. Rizzo et al. Inducing metallicity in graphene nanoribbons via zero-mode superlattices. Science 2020, 369, 1597-1603。
https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1597
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8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
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