第一作者：Simon Turkel
通訊作者：Abhay N. Pasupathy
通訊單位：哥倫比亞大學
凝聚態物理學術QQ群：1083456536
堆疊的扭角多層石墨烯具有奇特的傳輸性質，目前人們在三層扭曲石墨烯（頂層、底層相對于中間層同時扭轉相同角度）中發現超導效應，這種超導效應與平帶有關。
有鑒于此，哥倫比亞大學Abhay N. Pasupathy等報道通過掃描隧道顯微鏡對堆疊結構進行表征，發現當頂層、底層堆疊過程中產生較小的偏差將導致晶格發生重排，形成三角形區域，這種區域呈現扭轉三層魔角石墨烯結構，相鄰的三角形區域之間形成線狀、點狀缺陷。
實驗和發現。在低溫條件使用掃描隧道電子顯微鏡對扭轉角三層石墨烯進行形貌結構、電子結構表征，發現三層石墨烯重新構建moiré晶格，結構形成鎖定在接近魔角的現象，形成的鏡像對稱空間區域的尺寸與超導相干距離類似。這種晶格重構形成一系列缺陷位點，將其命名為“twistons”和“moiré solitons”，這種缺陷與摻雜形成的顆粒狀電子結構類似。
Moiré晶格重構
圖1. STM表征三層堆疊魔角石墨烯
三層魔角石墨烯的形成。將底層石墨烯固定，分別依次將頂部兩層石墨烯旋轉~1.56°魔角、~2×1.56°，因此生成Moiré晶格。在理論上這種方法能夠得到完美的結構，并且導致形成奇異的超導量子態。但是在實際情況中，因為宏觀大面積石墨烯堆疊過程中難以避免形成原子排布失配，因此難以在實驗中得到完美對稱結構堆疊的結構。作者通過掃描隧道顯微鏡觀測，發現了非完美結構Moiré晶格（圖1B-C）。
作者在高真空環境使用原子分辨率的掃描隧道顯微鏡在4.8-7.2 K溫度之間表征魔角石墨烯的電子結構。發現堆疊三層石墨烯中產生Moiré晶格重構，通過在原子排列形式為AAA位點發生扭曲，導致AtA位點的原子排列周期性增強，這種Moiré晶格扭曲現象是因為不同區域的局部變化扭轉角和石墨烯產生的應力兩方面原因導致。
三層石墨烯電子結構
圖2.三層堆疊石墨烯的均勻電子結構
圖3. Moiré晶格重構
在7.2K溫度和電荷中性點CNP（charge neutralitypoint）條件對AAA位點的電子結構進行表征，發現電子結構是通過一對由于導帶和價帶平帶部分重疊導致共振產生的，其中每個平帶能夠在態密度中形成尖峰或者van Hove奇點，因此通過分析觀測結果發現價帶和導帶van Hove奇點相隔18 eV，價帶和導帶的半峰寬達到~23 eV。
隨后系統性的調節施加電壓(Vg)，觀測van Hove奇點的平帶變化規律，發現能夠系統性的調節峰強度、峰距離、峰寬。
魔角石墨烯的缺陷
圖4.魔角三層堆疊石墨烯中平帶共振
通過考察實空間的電子結構，在電中性條件發現魔角堆疊三層石墨烯材料形成明顯的畸變，石墨烯堆疊過程的角度失配~0.3°，形成~50 nm方格，與超導相干長度類似。在調節載流子的過程中，發現態密度圖變得更加均勻，意味著畸變現象得到緩解。說明與其他類型Moiré材料相比，堆疊石墨烯具有獨特性質，能夠通過Vg系統的調節電子的無序態。堆疊魔角三層石墨烯中的平帶共振導致電子的無序態降低，增強超導性，說明沿著摻雜軸的超導現象可能因為原子排列無序化產生的。進一步的驗證原子排列無序產生超導的結論需要直接觀測原子排列變化與超導性之間的關系。
參考文獻：
Simon Turkel, Joshua Swann, Ziyan Zhu, MaineChristos, K. Watanabe, T. Taniguchi, Subir Sachdev, Mathias S. Scheurer,Efthimios Kaxiras, Cory R. Dean, Abhay N. Pasupathy*, Orderly disorder inmagic-angle twisted trilayer graphene, Science 2022, 376 (6589), 193-199
DOI: 10.1126/science.abk1895
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1895
