研究背景
扭曲雙層石墨烯（TBG）是近年來因其獨(dú)特的電子性質(zhì)和拓?fù)涮卣鞒蔀檠芯繜狳c(diǎn)。TBG的莫爾超晶格結(jié)構(gòu)使其能夠展現(xiàn)出強(qiáng)電子相互作用和非平凡的拓?fù)洮F(xiàn)象，這為拓?fù)湮锢砗完P(guān)聯(lián)物理的交匯提供了重要平臺。然而，盡管已有研究揭示了TBG的多種奇異現(xiàn)象，量子幾何的波函數(shù)特性仍然難以解碼，特別是在電子-電子相互作用引起的破缺對稱性相位下，量子幾何的復(fù)雜性使得這一研究面臨諸多挑戰(zhàn)。
為了解決這一問題，巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院Roshan Krishna Kumar，Frank H. L. Koppens等科學(xué)家在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Terahertz photocurrent probe of quantum geometry and interactions in magic-angle twisted bilayer graphene”的最新論文。研究人員提出了利用偏振分辨光電流測量的方式，來探測TBG中量子幾何的特性。通過太赫茲光激發(fā)與TBG的平帶躍遷共振，研究者們成功觀察到了由破缺對稱性驅(qū)動的體光電流，并揭示了電子相互作用與量子幾何之間的關(guān)系。
這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅觀察到反演破缺帶隙狀態(tài)，還首次發(fā)現(xiàn)了因電子-電子相互作用導(dǎo)致的能帶重整化和偏振軸的急劇變化。此外，光電流的周期性變化模式能夠追蹤量子幾何隨相變的演變，為深入理解TBG的量子幾何和電子相互作用提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。因此，這項(xiàng)研究為量子材料的研究和太赫茲量子技術(shù)的創(chuàng)新提供了重要的理論支持和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
研究亮點(diǎn)
1）實(shí)驗(yàn)首次利用偏振分辨光電流測量，研究了魔角扭曲雙層石墨烯中的量子幾何。通過使用與平帶光學(xué)躍遷共振的太赫茲光，成功探測了由破缺對稱性驅(qū)動的體光電流。
2）實(shí)驗(yàn)通過對偏振角度和電流變化的精確測量，揭示了電子相互作用與量子幾何之間的相互作用。觀測到反演破缺帶隙狀態(tài)，這些狀態(tài)無法通過量子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)直接探測到，展示了偏振依賴的光電流響應(yīng)。
3）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，因相互作用引起的能帶重整化導(dǎo)致偏振軸出現(xiàn)急劇變化，并在莫爾單元格的整數(shù)填充因子下，光電流模式出現(xiàn)重復(fù)。這些現(xiàn)象表明量子幾何在經(jīng)歷相變級聯(lián)時(shí)的演變過程。
圖文解讀
圖1: 雙層轉(zhuǎn)角石墨烯Twisted bilayer graphene，TBG中，偏振相關(guān)的太赫茲光電流。
圖2:雙層轉(zhuǎn)角石墨烯TBG中，α和ν關(guān)系。
圖3:Hartree-相互作用誘導(dǎo)的太赫茲光電流。
圖4:光響應(yīng)和α的溫度關(guān)系。
圖5: 具有超莫爾電勢與hBN對準(zhǔn)的公度TBG中，光電流級聯(lián)。
結(jié)論展望
載流子摻雜引起的α變化突顯了莫爾材料中的體光伏效應(yīng)（BPE），而其在沒有嚴(yán)格與hBN對準(zhǔn)的扭曲雙層石墨烯（TBG）中出現(xiàn)表明，基底在決定其對稱性和許多體相方面起著更為微妙的作用。盡管需要進(jìn)一步的工作來理解高填充因子下的光響應(yīng)及級聯(lián)特征的細(xì)節(jié)，作者的研究展示了光電流在探測隱藏對稱性方面的敏感性，這些對稱性是通過常規(guī)輸運(yùn)測量難以探測到的。量子度量張量及其對電磁響應(yīng)的強(qiáng)烈影響已長期呼吁一種快速且易獲取的技術(shù)。二階電導(dǎo)率與太赫茲光電流響應(yīng)背后的量子幾何之間的直接聯(lián)系為此提供了一個(gè)快速且強(qiáng)大的工具，未來可用于探測其與強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的相互作用。由于應(yīng)變已知對扭曲雙層石墨烯的相圖及二階電導(dǎo)率有顯著影響，應(yīng)進(jìn)一步探討應(yīng)變的作用。最后，盡管作者觀察到由于大莫爾晶體單元格的存在，偏移電流的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)，但彈道電流的作用仍是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的有趣課題。
從技術(shù)角度來看，所測設(shè)備在太赫茲應(yīng)用中具有強(qiáng)大的前景。作者發(fā)現(xiàn)外在電壓響應(yīng)度約為200 mV·W–1，考慮到設(shè)備面積是照射面積的1,000倍，這一數(shù)值相對較大，并預(yù)測了10–12 W·Hz–0.5的固有噪聲等效功率（NEP）。這些指標(biāo)與之前的低溫探測器相當(dāng)，并具有顯著優(yōu)勢，包括易于擴(kuò)展性和極強(qiáng)的偏振敏感性。具體而言，莫爾材料可以通過多層配置來增強(qiáng)外部吸收，同時(shí)保留其優(yōu)異的少層性質(zhì)，包括較大的太赫茲量子幾何響應(yīng)。此外，復(fù)雜的偏振和波長依賴性為片上太赫茲偏振測量應(yīng)用提供了令人興奮的前景。
原文詳情
Krishna Kumar, R., Li, G., Bertini, R. et al. Terahertz photocurrent probe of quantum geometry and interactions in magic-angle twisted bilayer graphene. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02180-3
