第一作者：Kevin P. Nuckolls
通訊作者：Ali Yazdani
通訊單位：普林斯頓大學
研究亮點：
1. 發展了一種基于掃描隧道顯微鏡的局域譜學技術，可以在磁場中檢測魔角扭曲雙層石墨烯中的Chern數和拓撲相。
2. 打破傳統認知，發現強相關體系中，莫爾平帶體系也可以產生拓撲相，超出了弱相互作用模型的范圍。
電子與其能帶拓撲之間的相互作用，會使物質產生異常量子相。研究表明，大多數拓撲電子相出現在電子與電子相互作用較弱的系統中，僅由于強相互作用而出現拓撲相的情況很少見，并且大多局限于強磁場體系。
大量研究表明，器件的幾何形狀會破壞石墨烯系統的空間對稱性。在魔角扭曲雙層石墨烯中，其與六方氮化硼（hBN）襯底對齊將破壞C2對稱性，科學家發現了具有拓撲特征的扁平電子帶。魔角扭曲雙層石墨烯中強相關性的存在，產生了弱相互作用理論無法預料的拓撲狀態，為尋找強相關的拓撲相提供了獨特的機會。
有鑒與此，普林斯頓大學Ali Yazdani等人報道了一種基于掃描隧道顯微鏡的局域譜學技術，可以在磁場中檢測魔角扭曲雙層石墨烯中Chern數C =±1，±2和±3的拓撲絕緣相。
圖1. 200mK溫度下，磁場對魔角石墨烯譜學影響
這種方法能夠使用局部譜學來識別間隙相的多體起源，同時分析其磁場響應以量化其特征拓撲不變性。結果表明，與單粒子對稱性破壞效應相反，強相關性可以在魔角扭曲雙層石墨烯中固有地產生拓撲相。
圖2. 強相關Chern絕緣相的譜學結構
在此之前，研究人員發現當六方氮化硼襯底故意破壞MATBG的亞晶格對稱性時，可以觀察到其中一個相（C = +1），而相互作用具有次要作用。這項研究證明，電子與電子的強相互作用不僅可以產生先前觀察到的相，而且還可以在MATBG中產生其他意外的C =±3的絕緣相。
圖3. 強相關Chern絕緣相對磁場響應的量化描述
為了理解所觀察到的全部相序，研究人員推測，強相關性有助于打破時間反轉對稱性，來形成由弱磁場穩定的Chern絕緣子。
圖4. 理論解釋
這項研究表明，在強相關體系中莫爾平帶體系也可以產生拓撲相，這極大地超出了弱相互作用模型的范圍，為探索更多新奇的量子相提供了新的認知。
參考文獻：
KevinP. Nuckolls et al. Strongly correlated Chern insulators in magic-angle twistedbilayer graphene. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-3028-8
