曹原，再发Nature！

纳米人

2021-04-05

相互作用驱动的自发对称性破缺是量子相研究的核心议题。在具有平坦电子带的凝聚态系统中，电子之间的库仑相互作用很容易超过其动能，并产生各种奇特的量子相，包括Mott绝缘子、Wigner晶体和量子自旋液体。

在这种高度相关的状态下，电子可以自发地使总库仑能量最小化，但其代价是动能增加，从而导致某些对称性的破坏。这种被破坏的对称状态可以在相对较高的能量范围内发生，并作为在较低能量范围内出现的相（如超导）的“父母状态”（parent state）。

此外，当系统中存在非平凡拓扑时，强相关性与基础拓扑之间的相互作用可能导致物质出现新的相。了解这种相互作用背后的物理原理，有助于指导我们设计下一代高度相关的拓扑量子材料。

当具有相似晶格常数的两个单层二维范德华材料垂直堆叠且略微未对准时，则会呈现出周期性莫尔图案，从而改变材料的电子态，出现电子平带。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。

MATBG（魔角扭曲双层石墨烯）的出现，为量子性能的研究，提供了一个独特的、绝佳的平台，可在高度可调的平带系统中研究相互作用驱动的各种新奇现象。尽管在实验和理论上取得了重大进展，但被破坏的对称状态及其与超导之间的关联，并不完全清晰。

有鉴于此，麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队今日再次发表成果，同时进行热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的对称性破缺多体基态和非平凡拓扑现象。

图1. 器件结构和化学势测试

研究表明，对称性破缺源于莫尔超晶格在所有整数填充处化学势的固定，证实了Hund耦合在多体基态中的重要性。此外，研究人员还测量了与Chern绝缘态相对应的能隙，其中Chern绝缘态的Chern数分别为3、2、1，填充因子分别为1、2、3，这与MATBG的Hofstadter蝴蝶谱中的对称性破缺一致。

此外，研究人员对魔角石墨烯的电阻率和化学势进行同时测试，得到了在奇异金属状态下依赖于温度变化的电荷扩散率，之前只有在超冷原子中才发现过。

图2. 依赖于温度和面内磁场的化学势函数

总之，这项研究是魔角石墨烯研究领域的一个新突破，使魔角石墨烯的理论和实验都更趋近于一个统一的框架，为我们开发新型的量子材料，带来了更多可能。

参考文献：

Jeong Min Park et al. Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene. Nature 2021, 592, 43–48.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03366-w