一作兼通讯！双层石墨烯，再登Nature Materials！

米测MeLab

2025-04-10

研究背景

扭曲双层石墨烯（TBG）是近年来因其独特的电子性质和拓扑特征成为研究热点。TBG的莫尔超晶格结构使其能够展现出强电子相互作用和非平凡的拓扑现象，这为拓扑物理和关联物理的交汇提供了重要平台。然而，尽管已有研究揭示了TBG的多种奇异现象，量子几何的波函数特性仍然难以解码，特别是在电子-电子相互作用引起的破缺对称性相位下，量子几何的复杂性使得这一研究面临诸多挑战。

为了解决这一问题，巴塞罗那科学技术学院Roshan Krishna Kumar，Frank H. L. Koppens等科学家在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Terahertz photocurrent probe of quantum geometry and interactions in magic-angle twisted bilayer graphene”的最新论文。研究人员提出了利用偏振分辨光电流测量的方式，来探测TBG中量子几何的特性。通过太赫兹光激发与TBG的平带跃迁共振，研究者们成功观察到了由破缺对称性驱动的体光电流，并揭示了电子相互作用与量子几何之间的关系。

这些实验结果不仅观察到反演破缺带隙状态，还首次发现了因电子-电子相互作用导致的能带重整化和偏振轴的急剧变化。此外，光电流的周期性变化模式能够追踪量子几何随相变的演变，为深入理解TBG的量子几何和电子相互作用提供了新的实验依据。因此，这项研究为量子材料的研究和太赫兹量子技术的创新提供了重要的理论支持和实验指导。

研究亮点

1）实验首次利用偏振分辨光电流测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯中的量子几何。通过使用与平带光学跃迁共振的太赫兹光，成功探测了由破缺对称性驱动的体光电流。

2）实验通过对偏振角度和电流变化的精确测量，揭示了电子相互作用与量子几何之间的相互作用。观测到反演破缺带隙状态，这些状态无法通过量子输运实验直接探测到，展示了偏振依赖的光电流响应。

3）实验进一步发现，因相互作用引起的能带重整化导致偏振轴出现急剧变化，并在莫尔单元格的整数填充因子下，光电流模式出现重复。这些现象表明量子几何在经历相变级联时的演变过程。

图文解读

图1: 双层转角石墨烯Twisted bilayer graphene，TBG中，偏振相关的太赫兹光电流。

图2:双层转角石墨烯TBG中，α和ν关系。

图3:Hartree-相互作用诱导的太赫兹光电流。

图4:光响应和α的温度关系。

图5: 具有超莫尔电势与hBN对准的公度TBG中，光电流级联。

结论展望

载流子掺杂引起的α变化突显了莫尔材料中的体光伏效应（BPE），而其在没有严格与hBN对准的扭曲双层石墨烯（TBG）中出现表明，基底在决定其对称性和许多体相方面起着更为微妙的作用。尽管需要进一步的工作来理解高填充因子下的光响应及级联特征的细节，作者的研究展示了光电流在探测隐藏对称性方面的敏感性，这些对称性是通过常规输运测量难以探测到的。量子度量张量及其对电磁响应的强烈影响已长期呼吁一种快速且易获取的技术。二阶电导率与太赫兹光电流响应背后的量子几何之间的直接联系为此提供了一个快速且强大的工具，未来可用于探测其与强关联现象的相互作用。由于应变已知对扭曲双层石墨烯的相图及二阶电导率有显著影响，应进一步探讨应变的作用。最后，尽管作者观察到由于大莫尔晶体单元格的存在，偏移电流的贡献占主导，但弹道电流的作用仍是一个值得进一步研究的有趣课题。

从技术角度来看，所测设备在太赫兹应用中具有强大的前景。作者发现外在电压响应度约为200 mV·W^–1，考虑到设备面积是照射面积的1,000倍，这一数值相对较大，并预测了10–12 W·Hz–0.5的固有噪声等效功率（NEP）。这些指标与之前的低温探测器相当，并具有显著优势，包括易于扩展性和极强的偏振敏感性。具体而言，莫尔材料可以通过多层配置来增强外部吸收，同时保留其优异的少层性质，包括较大的太赫兹量子几何响应。此外，复杂的偏振和波长依赖性为片上太赫兹偏振测量应用提供了令人兴奋的前景。

原文详情

Krishna Kumar, R., Li, G., Bertini, R. et al. Terahertz photocurrent probe of quantum geometry and interactions in magic-angle twisted bilayer graphene. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02180-3