布朗大学研究发现：“魔角”石墨烯中令人惊讶的电子相互作用

诸平

据美国布朗大学（Brown University）2021年3月19日（当地时间）提供的消息，该校的研究人员的新近研究结果发现，“魔角”石墨烯（magic angle graphene）中令人惊讶的电子相互作用。相关研究结果已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Xiaoxue Liu, Zhi Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, Oskar Vafek, J.I.A. Li. Tuning electron correlation in magic-angle twisted bilayer graphene using Coulomb screening. Science, 19 Mar 2021: Vol. 371, Issue 6535, pp. 1261-1265. DOI: 10.1126/science.abb8754

此项研究成果在《科学》杂志网站上发表之前，早在2020年3月24日就已经在预印本文库网站公开（arXiv:2003.11072），到2020年7月8日先后进行过3次更新。研究人员发现了一种在“魔角”石墨烯中操纵电子间排斥力的方法，这为这种材料如何能够在零电阻下导电提供了新的见解（见上面图示）。

2018年，物理学家发现，当两片纳米材料石墨烯相互叠加时，会发生一些有趣的事情。当其中一层旋转到与另一层约1.1度的“魔角（magic angle）”时，该系统就变成了超导体，这意味着它以零电阻导电。更令人兴奋的是，有证据表明这是一种非常规的超导形式，这种类型的超导现象可以在温度远高于绝对零度的情况下发生，而大多数超导材料都在绝对零度以上（但不会太高）情况下起作用。

自从首次发现以来，研究人员一直在努力理解这种奇异的物质状态。现在，由布朗大学物理学家领导的一个研究小组发现了一种新方法，可以精确探测魔角石墨烯中超导状态的性质。该技术使研究人员能够操纵系统中库仑相互作用之间的排斥力。在《科学》(Science)杂志上发表的此项研究中，研究人员表示，当库仑相互作用减少时，魔角超导性会变得更强，这是理解这种超导体工作原理的重要信息。

布朗大学物理学助理教授、该研究的通讯作者李佳(Jia Li)说：“这是第一次有人证明，你可以直接操纵强相关电子系统中的库仑相互作用强度。超导性是由电子之间的相互作用驱动的，所以当我们可以操纵这种相互作用时，它告诉我们关于该系统的一些真正重要的信息。在这种情况下，证明较弱的库仑相互作用能增强超导性，为该体系提供了一个重要的新的理论约束。

2018年最初发现的魔角石墨烯中潜在非传统超导性引起了物理学界的极大兴趣。单原子厚度的石墨烯是一种相对简单的材料。如果它确实支持非常规超导性，那么石墨烯的简单性将使其成为探索这种现像如何起作用的理想场所。” 

“非常规超导体令人兴奋，因为它们的高转变温度以及在量子计算机、无损电网和其他领域的潜在应用。”李佳说，“但我们仍然没有微观理论来解释它们是如何工作的。这就是为什么当魔角石墨烯中出现了非常规超导现象时，所有人都如此兴奋。其简单的化学成分和扭转角的可调性确保了使画面更加清晰。”

20世纪50年代，一群物理学家首次解释了传统超导现象，其中包括长期担任布朗大学教授、诺贝尔奖得主莱昂·库珀（Leon Cooper）。他们发现超导体中的电子在某种程度上扭曲了材料的原子晶格，从而导致电子形成称为库珀对（Cooper pairs）的量子二重体（quantum duos），能够不受阻碍地穿过该材料。在非常规超导体中，电子对的形成方式被认为与库珀机制有点不同，但科学家们还不知道该机制是什么。

在这项新研究中，李佳和他的同事们想出了一种方法，利用库仑相互作用来探测魔角石墨烯中的电子配对。库珀配对将电子锁定在一定距离内。这种配对与试图将电子分开的库仑相互作用相竞争。如果能够减弱库仑相互作用，理论上库仑对的耦合应该会变得更强，从而使超导态更加稳健，这将为了解库柏机制是否在系统中发生提供线索。

为了操纵库仑相互作用，研究人员制造了一种设备，使一层魔角石墨烯非常接近另一种被称为伯纳尔双层（Bernal bilayer）石墨烯的石墨烯薄片。因为这两层是如此之薄，又如此紧密接近，所以魔角样品中的电子会被伯纳尔层中带正电荷的区域所吸引。层间的引力有效地削弱了魔角样品中电子间的库仑相互作用，研究人员把这种现象称为库仑屏蔽（Coulomb screening）。

伯纳尔层的一个特性使其在这项研究中特别有用。可以通过改变施垂直加在伯纳尔绝缘层上的电压，可以在导体和绝缘体之间进行转换。仅当伯纳尔层处于导电相时才会发生库仑屏蔽效应。因此，通过在导电和绝缘之间切换，并观察超导性的相应变化，研究人员可以确保他们所看到的是由于库仑屏蔽所致。

研究表明，当库仑相互作用减弱时，超导相变得更强；相分解的温度变得更高，并且对破坏超导体的磁场更稳定。

李佳说：“在这种材料中看到这种库仑效应有点令人惊讶。我们希望在传统超导体中看到这种情况，但有大量证据表明，魔角石墨烯是一种非常规超导体。所以，任何有关超导相的微观理论都必须考虑到这些信息。”

李佳说，这些结果要归功于布朗大学的博士后研究员、该研究的第一作者刘晓雪(Xiaoxue Liu音译)，正是其制造了让这些发现成为可能的设备。

李佳说：“以前从来没有人建造过这样的东西，从石墨烯的扭曲角度到层与层之间的间距，一切都必须精确到纳米级。刘晓雪真的做得很出色。我们还受益于来自佛罗里达州立大学（Florida State University）的理论物理学家奥斯卡·瓦菲克（Oskar Vafek）的理论指导。”

虽然这项研究提供了关于魔角石墨烯的关键新信息，但这项技术还可以揭示更多信息。例如，这第一项研究只研究了魔角超导性相空间的一部分。

李佳说，超导相在相空间的不同部位的行为可能不同，进一步的研究将揭开这一面纱。“屏蔽库仑相互作用的能力给了我们一个新的实验旋钮，有助于我们理解这些量子现象，这种方法可以用于任何二维材料，所以我认为这种方法将有助于设计新型材料。”上述介绍，仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Tuning the interactions

Elucidating the nature of the superconducting state in magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) has proven tricky. To study the role of electron-electron correlations in this state, Liu et al. placed another graphene bilayer, this one having a conventional arrangement of the graphene sheets, in the immediate vicinity of a sample of MATBG. By varying the carrier density in the conventional bilayer, the researchers controlled the strength of interactions in MATBG. Weakening the interactions strengthened superconductivity, consistent with scenarios in which the electron-phonon coupling competes against Coulomb interactions to stabilize the superconducting phase.

Science, this issue p. 1261

Abstract

Controlling the strength of interactions is essential for studying quantum phenomena emerging in systems of correlated fermions. We introduce a device geometry whereby magic-angle twisted bilayer graphene is placed in close proximity to a Bernal bilayer graphene, separated by a 3-nanometer-thick barrier. By using charge screening from the Bernal bilayer, the strength of electron-electron Coulomb interaction within the twisted bilayer can be continuously tuned. Transport measurements show that tuning Coulomb screening has opposite effects on the insulating and superconducting states: As Coulomb interaction is weakened by screening, the insulating states become less robust, whereas the stability of superconductivity at the optimal doping is enhanced. The results provide important constraints on theoretical models for understanding the mechanism of superconductivity in magic-angle twisted bilayer graphene.