扭曲三层石墨烯的相关态和超导性观察

诸平

Credit: Zhang et al.

据物理学家组织网（Phys.org）2021年10月29日报道，美国明尼苏达大学（University of Minnesota）和哈佛大学（Harvard University）的研究人员最近进行了一项研究，研究扭曲三层石墨烯的特性（The observation of correlated states and superconductivity in twisted trilayer graphene）。当两层石墨烯或其他二维(2D)材料以微小的角度错位堆叠在一起时，每一层产生的晶格在空间上就会“不同步（'out of synch'）”。这导致了一个独特的结构模式，称为摩尔超晶格（moiré superlattice）。

近年来，许多物理学家一直在研究摩尔超晶格的性质和特性，因为它们被发现对发展新的量子技术特别有前景。这些研究大多集中在扭曲双层石墨烯上，这种材料由两层石墨烯堆叠在一起并以一个小的扭曲角度旋转而成。

美国明尼苏达大学和哈佛大学的研究人员最近进行了一项研究，研究扭曲三层石墨烯的特性。扭曲三层石墨烯由三个连续的小扭曲角度堆叠而成。他们发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文——Xi Zhang, Kan-Ting Tsai, Ziyan Zhu, Wei Ren, Yujie Luo, Stephen Carr, Mitchell Luskin, Efthimios Kaxiras, Ke Wang. Correlated Insulating States and Transport Signature of Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene Superlattices.  Physical Review Letters, 2021, 127: 166802 – Published 11 October 2021. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.166802. 此文提供了相关绝缘状态的证据，以及材料中超导性的传输特征。

进行这项研究的研究人员之一王柯(Ke Wang音译)告诉Phys.org说：“之前已经证明，扭曲的双层石墨烯（bilayer graphene）可以通过精确调节的扭曲角度实现超导。扭曲双分子层在材料参数和静电学方面具有高度可调性，这为理解相关电子物理（electron physics）提供了新的见解，并为量子电子学（quantum electronics）提供了新的潜在应用前景。

通过添加第三层石墨烯，王柯和他的同事们制作出了一种他们称之为“摩尔的摩尔”超晶格('moiré of moiré' superlattice)结构。然后他们研究了这种结构，并试图更好地了解它的性质和特征。

王柯解释说：“我们最近的工作是添加第三层石墨烯，形成一个扭曲的三层石墨烯结构。第1-2层和第2-3层的两个超晶格再次‘不同步’，产生了更高阶的超晶格，我们称之为‘摩尔的摩尔超晶格（moiré of moiré superlattice）’。然后我们将系统冷却到低温(10 mK – 20 K)，并研究其电子输运行为。

在扭曲三层石墨烯中，更高阶的摩尔的摩尔超晶格在结构和电子上表现出高度复杂的物理特性。例如，该材料在极低的电子密度(~ 10¹⁰ cm^-2)下表现出超导的传输特征，比之前论文中报道的电子密度小两个数量级。

王柯说：“我们的实验结果也为理解石墨烯的超导性提供了重要的新思路。以前人们认为，在石墨烯中产生超导性之前，电子需要进行能量隔离，但我们的实验似乎表明并非如此。”

在未来，这个研究小组研究的新材料可能被证明对新技术的制造具有很高的价值，特别是量子电子学和计算平台。此外，王柯和他的同事们收集的发现可以激励其他研究团队也研究扭曲三层石墨烯或其他系统的潜力，这些系统可能会产生摩尔的摩尔超晶格。

王柯补充说:“我们公布的材料可能是一种很有前途的原子清洁超导体（atomically-clean superconductor），可以通过极低载流子密度变化进行静电调谐，这是未来量子电子设备的理想选择。为了更好地理解其潜在的应用，我们现在计划使用各种显微镜技术研究扭曲三层石墨烯的结构特性，并制作栅定义的纳米结构，以探测和操纵系统可能产生的新量子现象。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Layers of two-dimensional materials stacked with a small twist angle give rise to beating periodic patterns on a scale much larger than the original lattice, referred to as a “moiré superlattice.” Here, we demonstrate a higher-order “moiré of moiré” superlattice in twisted trilayer graphene with two consecutive small twist angles. We report correlated insulating states near the half filling of the moiré of moiré superlattice at an extremely low carrier density (～10¹⁰  cm⁻²), near which we also report a zero-resistance transport behavior typically expected in a 2D superconductor. The full-occupancy (ν=−4 and ν=4) states are semimetallic and gapless, distinct from the twisted bilayer systems.