石墨烯還是當年那個石墨烯，只不過對于石墨烯的熱門研究，終究還是回歸到物理。我們整理了2020年以來，Nature報道的石墨烯相關的7篇研究成果，大多是關于魔角石墨烯，供大家參考學習。
1. Nature：在屈曲結構石墨烯中發現平帶和強相關相
在石墨烯等二維原子晶體中產生平帶，賦予了材料更多新奇的性質和功能。平帶促進了電子與電子的相互作用，可以導致強相關相的出現，譬如超導。實現平帶的一種常見的方法是通過控制魔角石墨烯的扭曲角度，然而其操作要求過于嚴格和精準，不利于廣泛使用。
有鑒于此，美國美國羅格斯大學Eva Y. Andrei、Yuhang Jiang等人發展了一種不需要通過精準調控的新策略，可以更簡單的再二維原子晶體中實現平帶。石墨烯之父、諾獎得主Andre K. Geim教授作為共同作者參與本項研究工作。
本文要點：
1）研究人員使用掃描隧道顯微鏡和數值模擬證明，置于原子級平滑基底上的石墨烯單分子層會被迫進行屈曲轉變，從而產生具有周期性調制的贗磁場，從而反過來產生具有平帶的“post-石墨烯”材料。
2）進一步，研究人員采用靜電摻雜的手段將費米能級引入這些平帶中，觀察到強相關狀態的出現。
總之，這項研究發現屈曲結構可以實現二維晶體的平帶和強相關態的出現，為創建新型超晶格系統提供了一種全新的策略。
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：在多層菱面石墨中發現電子相分離
石墨具有兩種較為穩定的結構：六方晶系和菱面體。其中，六方晶系石墨已被廣泛研究，菱面石墨因為穩定性較差，迄今為止尚未進行詳細的研究。然而，大量理論預測表明，菱面石墨其中具有很多未可知的新奇性質。近年來，范德華異質結技術的不斷發展使得制造厚達50個石墨烯層的高質量菱面體石墨膜并研究其傳輸性能成為可能。
有鑒于此，美國曼徹斯特大學Artem Mishchenko等人發現，菱面體石墨中的體電子態是有間隙的，而且，在低溫條件下電子傳輸受表面態支配。
本文要點：
1）基于這種拓撲特性，表面態具有足夠高的質量以觀察量子霍爾效應，即菱面體石墨在無間隙半金屬相和具有巨大貝里曲率的帶隙量子自旋霍爾相之間發生相變。研究發現，通過施加垂直電場破壞其反演對稱性，也可以在表面態中打開能隙。
2）除此之外，研究人員發現，在小于4 nm的菱面體石墨中，即使沒有外部電場也存在間隙。這種自發的間隙開口顯示出明顯的磁滯現象和電子相分離的其他特征，研究人員認為這是因為高度相關的電子表面態的出現所導致。
總之，這項研究為菱面石墨的研究提供了新的借鑒，未開發具有更多新奇性質和物理現象提供了更多可能。
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：魔角石墨烯推廣到其他二維體系
2018年，來自麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原團隊在~1.1°魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變，打開了非常規超導體研究的大門。
有鑒于此，Pablo Jarillo-Herrero課題組致力于通過對扭轉角的控制，將魔角特性推廣到其他二維研究體系，以調諧和控制電子-電子相互作用的強度，實現相似的物理行為。
本文要點：
1）他們采用了一種全新的魔角石墨烯體系：基于小角度扭曲的雙層-雙層石墨烯（TBBG）。該體系由兩層旋轉的伯納爾堆疊的雙層石墨烯組成，TBBG具有豐富的相圖，具有可調的相關絕緣體狀態，對扭轉角和電場位移場都高度敏感。
2）與魔角扭曲雙層石墨烯不一樣的是，在該體系中的相關態對磁場響應，證明了自旋極化基態的存在。
這些結果對于探索多平帶扭曲超晶格中扭曲角和電場控制的相關相態起到了重要推動作用。
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，來自麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原團隊在~1.1°魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變，打開了非常規超導體研究的大門。
有鑒于此，研究團隊系統研究了扭曲角的分布信息，以加深對魔角石墨烯的理解和進一步應用。
本文要點：
1）以六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG為研究對象，使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處于量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，并繪制了局部θ變化圖。該設備的相對精度達到0.002度，空間分辨率為幾個莫爾周期。
2）研究發現，θ無序程度與MATBG傳輸特性的質量之間存在相關性。即使是使用最先進的設備，其θ的局部變化也高達0.1度。而且，MATBG中的相關狀態相對于扭曲角的異常特別脆弱。
總之，這項研究證明了θ無序作的重要性，為相關物理現象的實現和應用提供了指導。
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：雙層魔角石墨烯中的絕緣態/超導態
超導和相關絕緣態共存的魔角扭轉雙層石墨烯中，這些態之間的關系有重要意義，分別對其中對這種相進行控制的微觀機制加深了對其中錯綜復雜的相互作用的理解。
有鑒于此，巴塞羅那科學技術學院Dmitri K. Efetov等報道了這種扭曲雙層石墨烯中的電子相互作用的調控。
本文要點：
1）通過在低于15 nm（Wannier軌道的大小）和改變的石墨烯扭角（魔角附近1.10±0.05°）的過程中，調節石墨烯和金屬屏蔽層之間的距離，通過這種作用消除了絕緣態同時生成超導態。
2）此外，作者發現這種半填充的絕緣態在外加0.4 T的磁場作用中重新產生，并生成Chern數為2的霍爾態。
3） 作者發現Coulomb相互作用是形成相稱絕緣子（commensurate insulator）的原因，而超導現象是通過更加傳統的機理得到。雙層魔角石墨烯中超導態的反常特征產生了超低的載流子濃度，暗示了電子-聲子之間相互作用的原理。在實驗中發現的弱磁場誘導產生的半填充絕緣態重新出現說明在這種系統中的強相互作用。
該研究為理解雙層魔角石墨烯中的絕緣態和超導態之間的關系提供了經驗，并為理解具備強相互作用的超導體系的微觀機制提供了方案。
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：扭角雙層石墨烯中的自旋極化態、超導態觀測
通過降低晶格中低于長程Coulomb相互作用能的電子能量能帶，能有效促進相關性。通過范德瓦爾斯作用力堆疊而成的具有一定角度構成的Moiré超晶格，能夠對電子相關能帶結構進行調控。并且在Moiré平帶中產生了奇特的量子態結構，在最近的發現中研究者在魔角雙層石墨烯中發現了絕緣態、超導態、量子反常霍爾效應等量子態。此外，這種范德瓦爾斯Moiré超晶格結構的電子學相關性質能夠通過調控層間耦合、調控層中能帶結構調控。
有鑒于此，哈佛大學Philip Kim 、Xiaomeng Liu等在扭角雙層石墨烯結構中展示了通過垂直于石墨烯的電場對一系列扭角平帶電子能帶結構的調控。
本文要點：
1）作者發現，和魔角雙層石墨烯體系類似，這種扭角雙層石墨烯在半填充、四分之一填充的平帶體系中展現了相關絕緣態，該現象和魔角石墨烯中的現象類似。
2）作者發現這些絕緣態隨著層間磁場的增加而提高，展示了鐵磁有序狀態。在半填充狀態中，作者發現了隨著溫度降低發生了電阻突降。這種現象只有在密度-電場平面（density–electric-field plane）的限域區域中才能發現，作者將這種現象歸結于金屬態和自旋極化態之間的相變過程。
總之，這種自旋極化相關態的發現為相關量子相變化調控提供了新方法。
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：魔角雙層石墨烯中通過電子填充測試探索引發超導等特殊電子態的原因
魔角石墨烯展現出豐富的電子相關物理學現象，包括絕緣性、超導相、磁性等，理論預測結果顯示這種體系中的電子能帶結構在靠近魔角附近的區域顯示豐富的對稱性破缺態。
有鑒于此，麻省理工學院P. Jarillo-Herrero、以色列魏茨曼科學研究所S. Ilani等報道了對魔角石墨烯的電子態（局部電子壓縮性）進行表征。
本文要點：
1）在六方BN上負載魔角雙層石墨烯，BN材料放置于金屬背柵(back-gate)電極上，魔角雙層石墨烯上表面負載上六方BN。隨后在BN/魔角石墨烯/BN上通過連接電極測試四探針縱向電阻隨著不同電子填充的變化過程。
2）作者發現當向體系中加入載流子后，發現了四種電子優選態，分別對應了不同的自旋和能谷，同時電子的填充并不是等性填充過程。反之，電子的填充過程經歷了一系列的相轉變過程，其中顯示出在摩爾晶格整數填充附近壓縮的電子態發生非對稱性的躍遷。
3）在每個躍遷的轉化點附近，作者發現發生了重置（resetting）到電中性點的過程，因此在每次整數電子填充后形成了Dirac特征的電子。通過測試面內的磁場與化學勢之間的關系，作者揭示了同時發生的磁化過程，進一步展示了這種相關的對稱性破缺過程。
總之，這項研究表明，這種在高于超導/相關絕緣態的溫度檢測到的相轉變過程和Dirac變化過程說明了這種前驅態（parent state）對產生超導態和相關絕緣態有重要關系。
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: 魔角扭曲雙層石墨烯的電子態轉變
Ali Yazdani課題組在魔角石墨烯領域也不遑多讓，2019年7月，他們就曾在Nature報道過魔角石墨烯的譜學研究。
近日，在之前工作上的進一步升級，普林斯頓大學Ali Yazdani課題組報道了高分辨率掃描隧道顯微鏡觀測魔角扭曲雙層石墨烯的譜學性質隨電子填充函數的級聯過渡。
本文要點：
1）研究發現，在摩爾紋平帶的每個整數填充處，化學勢都有明顯變化，并且低能激發發生了重排。這些譜學特征是庫侖相互作用的直接結果，庫倫相互作用將簡并的平帶劃分為哈伯德子帶。
2）這些相互作用對垂直磁場異常敏感，磁場可強烈地改變譜學躍遷。最終，研究表明，在低溫下，魔角扭曲雙層石墨烯中會出現各種絕緣和超導基態相。
總之，這項研究為魔角石墨烯的譜學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，有沒有用？
答案是肯定的！
天生我材必有用，何況是諾獎。
至于怎么用，就看你的本事了！
