Dirac Electrons在魔法角图中回到了生命 - 对称性的不寻常破碎

魔法角石墨烯中的对称性相位过渡。填充其能量水平的DIRAC电子的四个“味道”由四个“液体”填充锥形眼镜表示。

在扭曲的双层石墨烯中发现了一种新的对称性损伤父状态。

2018年，发现两层石墨烯通过“魔法”角度相对于另一层扭曲，显示各种有趣的量子阶段，包括超导，磁性和绝缘行为。现在，由炼狱物理部门的Shahal Ilani教授的Weizmann科学研究所的研究人员，与Pablo Jarillo-Herero的集团的MIT合作，发现这些量子阶段从先前未知的高度下降能源“父态”，具有异常的对称性。

石墨烯是碳的扁平晶体，只有一个原子厚。当将两张材料彼此放在彼此顶部时，以小角度未对准，出现周期性的“莫尔”模式。该图案为材料中的电子提供了一种人造晶格。在这种扭曲的双层系统中，电子进入四个“味道”：旋转“向上”或“下”，与两个“谷”源于石墨烯的六边形格子。结果，每个Moiré遗址最多可容纳四个电子，每种味道中的一个。

虽然研究人员已经知道，当所有Moiré的网站完全满（每位四个电子的四个电子）时，系统表现为一个简单的绝缘体，而Jarillo-Herrero和他的同事在2018年发现他们的惊喜，那就以特定的“魔法”角度，扭曲系统也变得在其他整数填充物（每个Moiré遗址上的两个或三个电子）中的绝缘。由魔法角扭曲双层石墨烯（MATBG）展出的这种行为不能通过单粒子物理解释，并且通常被描述为“相关的Mott绝缘体”。更令人惊讶的是发现靠近这些馅料的异国超导性。这些发现导致了旨在回答大问题的研究活动：在Matbg和类似的双绞线中发现的新异国情调国家的性质是什么？

用碳纳米管检测器成像魔法角图形电子

Weizmann团队首先使用独特类型的显微镜来了解在MATBG中的相互作用的表现方式，所述显微镜利用碳纳米管单电子晶体管位于扫描探针悬臂的边缘。该仪器可以在真实空间中的图像，在具有极端灵敏度的材料中产生的电势。

“使用这个工具，我们可以在这个系统中首次映像电子中的电子中的”可压缩性“ - 即将额外的电子挤压到空间中的给定点是多么难度，”Ilani解释道。“粗略地说，电子的可压缩性反映了它们所在的阶段：在绝缘体中，电子是不可压缩的，而它们在金属中，它们非常可压缩。“

压缩性还揭示了电子的“有效质量”。例如，在规则的石墨烯中，电子非常“光”，因此表现得像实际上忽略了它们的子子的存在。另一方面，在魔法角图石墨烯中，电子被认为是极为“重的”，因此它们的行为是通过与其他电子的相互作用来支配 - 许多研究人员归因于这种材料中发现的异国阶段。因此，Weizmann团队预计将展示非常简单的模式的可压缩性是电子填充的功能：在每个整数莫尔栅填充时，高可压缩金属和可加入的莫尔·格子填充物中出现的压缩金属之间的互换。

为了他们惊讶，他们观察到了一种巨大不同的模式。而不是从金属到绝缘体的对称转变，并返回金属，而是观察到整数填充附近的电子压缩性的急剧，不对称的跳跃。

“这意味着在这次过渡之前和之后的运营商的性质显着不同，”研究牵头作者Uri Zondiner说。“在过渡之前，载体非常重，并且在它之后，它们似乎是极光的，让人想起了石墨烯中存在的”DIRAC电子“。”

看到相同的行为在每个整数填充附近重复，其中重型载体突然地赋予道路和浅迪拉姆的电子重新出现。

但是如何理解运营商的性质的这种突然变化？为了解决这个问题，该团队与Weizmann理论家教授一起工作。Erez Berg，Yuval Oreog和Ady Stern，以及Raquel Quirez博士;以及FreieUniversitätBerlin的Felix Von-oppen教授。它们构建了一个简单的模型，揭示了电子以高度不寻常的“Sisyphean”方式填充了MATBG中的能带：当电子开始从“DIRAC点”（价值和传导频带彼此触摸的点）时，它们正常行为，在四种可能的味道之间同样地分布。“然而，当填充到每莫尔超晶格站点的整数电子数的填充时，发生了戏剧性的相位过渡，”研究引导作者Asaf Rozen解释说。“在这种转变中，一个味道”抓住“所有载体从同龄人那里，”将“重置回电荷中性的DIRAC点。”

“没有电子，三种剩余的口味需要从划痕再次开始重新填充。他们这样做，直到另一个阶段过渡发生，那么这次剩下的三种口味中的一个抓住所有载体的同行，将它们推回平方。因此，电子需要爬上Sisyphus的山，不断推回它们恢复光狄拉科电子的行为的起点，“Rozen说。虽然该系统处于低载波填充的高度对称状态，但是所有电子口味被同等地填充，进一步填充，它经历了反复减少其对称性的级联的对称性相位过渡。

“父州”

“最令人惊讶的是，我们发现的阶段转换和DIRAC反转在迄今为止所观察到的超导和相关绝缘状态的发作的温度远远高于，”Ilani说。“这表明我们所看到的破碎的对称状态实际上是”父态“，其中的”父态“越脆弱的超导和相关的绝缘地位出现。”

对称性被破坏的特殊方式对该扭曲系统中的绝缘和超导状态的性质具有重要意义。

“例如，众所周知，当电子较重时出现强的超导性。然而，我们的实验证明了确切的相反：在相变恢复光狄拉科电子中，在该魔法角图石墨烯系统中出现超导性。这是如何发生的，与其他更传统的超导形式相比，它告诉我们这个系统中超导性的性质仍然有趣的开放性问题，“Zondiner说。

在Ali Yazdani教授和普林斯顿大学的同事发表的另一篇文章中报告了类似的相变的阶段过渡。“普林斯顿团队使用完全不同的实验技术研究了MATBG，基于高度敏感的扫描隧道显微镜，看到互补技术导致类似的观察非常放心，”Ilani说。

Weizmann和MIT研究人员表示，他们现在将使用扫描纳米管单晶体晶晶体管平台来回答各种双绞线系统中电子的这些和其他基本问题：电子的可压缩性与表观传输性能之间的关系是什么？在低温下这些系统中的相关状态的性质是什么？弥补这些国家的基本Quasiply是什么？

参考：U. Zondiner，A. Rozen，D. Rodan-Legrain，Y.Cao，R.Caoizoz，T.Taniguchi，K.Watanabe，Y. Oreeg，Y. Oreeg，Y. Oreeg，Y.Cao，R. Queiroz 。Von Oppen，Ady Stern，E. Berg，P. Jarillo-Herrero和S. Ilani，11月11日，2020年6月11日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-020-2373-y

Shahal Ilani教授的研究得到了Sagol Weizmann-Mit桥计划的支持; andrédeloro科学研究奖; Leona M.和Harry B. Helmsley慈善信托;和欧洲研究理事会。