當具有相似晶格常數的兩個單層二維范德華材料垂直堆疊且略微未對準時，則會呈現出周期性莫爾圖案，從而改變材料的電子態，出現電子平帶。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。
2018以來，Pablo Jarillo-Herrero和曹原團隊為代表的國內外科研團隊在魔角石墨烯領域取得大量進展。就在上周，Pablo Jarillo-Herrero和曹原團隊剛剛在Nature發表成果，同時進行熱力學和輸運測量，研究了魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的對稱性破缺多體基態和非平凡拓撲現象。
短短一周之后的今天，Erez Berg，Pablo Jarillo-Herrero，Shahal IlaniPablo 和曹原團隊，Andrea F. Young 團隊各自獨立在Nature發表2篇論文，報道了魔角石墨烯的最新突破！
第一作者：Asaf Rozen, Jeong Min Park, Uri Zondiner, 曹原
通訊作者：Erez Berg，Pablo Jarillo-Herrero，Shahal Ilani
通訊單位：以色列魏茨曼科學研究所，麻省理工學院
第一作者：Yu Saito, Fangyuan Yang
通訊作者：Andrea F. Young
通訊單位：美國加州大學圣巴巴拉分校
溫度高低與電子運動的關系
通常，電子在更高的溫度下會更加自由地運動。然而，近期的研究已經觀察到，在一個由兩塊堆疊且稍有錯位的石墨烯薄片組成的體系中，當溫度升高時，電子卻會一反常態，被“凍結”。
溫度越高，電子越“凍結”
物質中的粒子在較高的溫度下會隨機地劇烈運動，從而導致固體在臨界溫度以上熔化成液體。在熱力學中，更高的溫度有利于形成具有更大熵的狀態。由于原子的運動更無序，液態物質的熵通常比固態物質的熵大。然而，氦-3卻是一個例外，當溫度升高時，它會凍結成固體。該現象之所以會發生是因為固態3He的熵比液體的更大——這是一種與3He原子的自旋(角動量)波動有關的現象，這種行為被稱為Pomeranchuk效應。近日，以色列魏茨曼科學研究所的Erez Berg，Shahal Ilani教授和麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero教授等人以及美國加州大學圣巴巴拉分校的Andrea F. Young教授等人分別在《Nature》雜志上發表文章，描述了石墨烯體系中的類似效應，發現電子隨著溫度升高而“凍結”。
圖1 魔角扭曲雙層石墨烯的相變
該體系由兩層堆疊的石墨烯組成，上層薄片與下層薄片扭曲錯位，形成了一種moiré模式的原子周期性排列。當扭曲角度約為1°時，扭曲雙層石墨烯中的電子能帶變得接近平坦，此時電子的速度比正常速度要低得多。此時電子的行為被它們之間的斥力相互作用所控制，從而導致出現了5-8層石墨烯中不存在的相。在低溫下(低于5-10開爾文)，當電子數被調諧到填滿一個或多個1 / 4平帶時，由于電子之間的相互作用，通常會形成一個電絕緣相。相反，系統要么成為金屬(低電阻)，要么成為超導體(零電阻)。
圖2 雙層石墨烯中的Pomeranchuk效應
圖3 魔角石墨烯中的Pomeranchuk效應
金屬可以被廣泛認為是電子的液態，物理學家通常稱之為費米液體。而絕緣體則可以看作是電子的固態，電子被凍結在一定位置，并排列成有序的陣列。在大多數情況下，因為電子更有序，使得絕緣體態比金屬態的熵更低。因此，當溫度升高時，絕緣體通常會變成金屬。而近期發表在《Nature》的2篇研究表明在魔角扭曲雙層石墨烯中觀察到了恰恰相反的現象。通過測量該體系中的電輸運行為，發現隨著溫度的升高，當電子數調整到近1/4平帶時，扭曲雙層石墨烯會從金屬態轉變為高阻態，接近于電絕緣體。這種轉變發生在10 K左右的溫度下，而近乎絕緣的階段持續到70-100 K左右。
研究表明，電子的Pomeranchuk效應是一種類似于3 He原子所觀察到的現象。除此之外，為了理解該效應的起源，研究者們測量了1/4平帶填充的扭曲雙層石墨烯的熵，并發現高溫近絕緣相中每個電子的熵均大于低溫金屬相中每個電子的熵。
未來的研究方向會在哪兒呢？
新的發現也留下了許多懸而未決的問題：
1、低溫金屬與高溫近絕緣相是通過一級相變分離的，還是存在更平穩的過渡?
2、為什么在魔角扭曲雙層石墨烯平帶結構的其他1/4填充(即平帶是1/2和3/4填充時)中沒有Pomeranchuk效應？
參考文獻
1、Rozen, A., Park, J.M., Zondiner, U. et al. Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene. Nature 592, 214–219 (2021).
DOI: 10.1038/s41586-021-03319-3
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03319-3
2、Saito, Y., Yang, F., Ge, J. et al. Isospin Pomeranchuk effect in twisted bilayer graphene. Nature 592, 220–224 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03409-2
3、Biao Lian. Nature 592, 191-193 (2021)
DOI: 10.1038/d41586-021-00843-0
https://doi.org/10.1038/d41586-021-00843-0
