美国普林斯顿大学最新Nature：魔角石墨烯中多体波函数的量子织构-石墨烯产业专题

美国普林斯顿大学最新Nature：魔角石墨烯中多体波函数的量子织构

时间:2023-08-28 作者: 来源:材料牛（石墨烯）

一、[导读]

电子之间的相互作用产生了具有反映电子关联效应、破缺对称性和集体激发的波函数的新颖的物质多体量子相。在魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)中已经发现了许多量子相，包括相关绝缘、非常规超导和磁性拓扑相。对可能的对称性破缺的微观信息的缺乏阻碍了本工作对这些相的理解。

二、[成果掠影]

近日，美国普林斯顿大学Ali Yazdani课题组使用高分辨率扫描隧道显微镜来研究MATBG中相关相位的波函数。间隙相的波函数平方，包括关联绝缘相、赝间隙相和超导相的波函数平方，在对摩尔尺度具有复杂空间依赖性的石墨烯原子晶格上表现出明显的对称性破损斑图，具有√3×√3超周期性。本工作介绍了一种基于对称性的分析，使用一组复值局部序参量，它们显示出复杂的纹理，以区分各种相关的相位。本工作将观察到的关联绝缘体在每摩尔单元填充±2 电子时的量子织构与理论基态预期的量子织构进行了比较。在典型的MATBG器件中，这些纹理与所提出的非公度Kekulé螺旋序非常匹配，而在超低应变样品中，本工作的数据具有类似于时间反演对称区间相干相位的局部对称性。此外，MATBG的超导态显示出强的谷间相干特征，仅与本工作相敏测量的绝缘体的超导态区分开来。相关论文以题为“Quantum textures of the many-body wavefunctions in magic-angle graphene”的论文发表在Nature上。

2、本工作还区分了典型和超低应变器件中相关绝缘体的波函数，并展示了当样品在非整数填充时超导时它们是如何演化的。

3、本工作提供了一种在原始材料平台上测量关联多体波函数的方法，使本工作能够识别描述MATBG关联绝缘体的非常复杂的量子态。本工作对超导相的测量也对MATBG中的配对模型提出了重要的限制。

四、[数据概览]

MATBG中对称性破缺的可视化

本工作使用自制的稀释冰箱STM26(在4 K和200 mK)研究了门控MATBG器件中具有高空间和能量分辨率的电子态的空间结构。本工作的实验是通过制造超净样品来实现的，在超净样品中很容易找到大的(>100×100 nm2)区域，而没有任何局部散射体或制造过程中残留的聚合物，并结合完善的针尖校准程序。考察具有代表性的关联绝缘体在v=+2处的低偏压STM形貌图(图1b)，本工作发现LDOS在石墨烯晶格尺度上表现出实空间原子尺度的对称性破缺特征，使其晶胞尺寸增大了3倍。MATBG的早期STM研究报道了AA位点附近的LDOS在关联绝缘体中具有不对称特征；然而，本工作在使用校准良好的针尖的超净设备上的高分辨率原子分辨测量中没有发现这样的特征。

为了将这种原子尺度的对称性破缺与v=±2附近的关联绝缘体的形成联系起来，本工作研究了v=-2附近不同填充的这种模式的测量。正如之前的研究一样，图1c中的STS数据显示了一个关联诱导的能隙，表明在v=-2附近存在一个绝缘相。对于远离v=-2的填充(图1d)，低偏压STM图像显示了MATBG顶层的原子晶格。然而，对于v=-2附近的填充物，占据态和未占据态的低偏压图像在原子尺度上都表现出了破碎的空间对称性。为了量化本工作的观测，本工作将图1d所示的不同填充下的大视场图像(40×40 nm2)的快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)得到的信息与图1c的光谱数据进行了关联。本工作进行了多次实验验证，证实了R3斑图是MATBG强关联相位所固有的，发现它们在非魔角器件中是不存在的，当化学势位于平坦波段之外时是不存在的，并且与局部散射体无关。

本工作发现R3模式是MATBG的几个相关相位的一个显著特征，在六个物理上不同的MATBG装置中的不同位置有多个观测；然而，这些波函数的性质远比这些对称破缺斑图的简单存在要复杂得多。当考察许多莫尔单胞上的LDOS时，揭示了这种复杂性，图2a给出了v=-2的一个例子。尽管实空间映射及其FFT都表现出R3(QIVC)对称性破缺的特征，但在莫尔单胞(图2a,右)内的不同位置，空间模式可以明显不同，这也反映在这些局部区域的FFT的QIVC峰值的幅度和相位上。此外，在不同的器件中，本工作发现在不同的样品中，R3模式可以在莫尔超晶格中的等效位置之间不同。这些变化促使本工作进行系统的基于对称性的分析来表征这些相关相的波函数。