2018年(nian)，MIT物理(li)學家Pablo Jarillo-Herrero帶領他的(de)(de)研(yan)究團(tuan)隊報道了(le)(le)一個全(quan)新(xin)的(de)(de)發現，把(ba)石墨烯(xi)推向了(le)(le)新(xin)的(de)(de)發展高(gao)度(du)。他們(men)發現，當兩個單(dan)層(ceng)石墨烯(xi)片以1.1°左右的(de)(de)特定旋轉(zhuan)角度(du)垂(chui)直堆(dui)疊時，可以在原子尺度(du)設計得到(dao)莫爾(er)條(tiao)紋，實現絕(jue)緣體(ti)到(dao)超導(dao)體(ti)之間的(de)(de)轉(zhuan)變(bian)，這(zhe)為(wei)高(gao)溫超導(dao)的(de)(de)研(yan)究帶來(lai)了(le)(le)新(xin)的(de)(de)曙光。

這(zhe)(zhe)之后，二維材料都跳起(qi)了秧歌舞，扭(niu)一扭(niu)就(jiu)能上天，一時(shi)間(jian)(jian)風(feng)起(qi)云涌，無數(shu)英(ying)雄競(jing)折腰。但是，背后的(de)(de)(de)(de)機理，一直不為人知。通過對自由(you)電(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)觀測圖像，科學家可以(yi)(yi)定性地理解(jie)單(dan)層石墨烯(xi)的(de)(de)(de)(de)許多性質(zhi)(zhi)，譬如(ru)能量(liang)(liang)和電(dian)子(zi)(zi)(zi)動(dong)量(liang)(liang)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)關系，幾乎(hu)與周圍電(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)密(mi)度(du)無關，這(zhe)(zhe)時(shi)候電(dian)子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)排斥(chi)作(zuo)用是忽略的(de)(de)(de)(de)。而扭(niu)曲(qu)的(de)(de)(de)(de)雙層石墨烯(xi)在(zai)“魔性”的(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)角(jiao)度(du)的(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)卻變得(de)非常不同。在(zai)魔角(jiao)旋轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，電(dian)子(zi)(zi)(zi)占據平(ping)帶(dai)，能級能量(liang)(liang)僅隨電(dian)子(zi)(zi)(zi)動(dong)量(liang)(liang)微弱變化(hua)。由(you)于(yu)平(ping)帶(dai)的(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)范圍很小，電(dian)子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用不再(zai)是微弱的(de)(de)(de)(de)擾(rao)動(dong)，系統(tong)的(de)(de)(de)(de)物理性質(zhi)(zhi)主(zhu)要取決于(yu)電(dian)子(zi)(zi)(zi)密(mi)度(du)。這(zhe)(zhe)種相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用甚至(zhi)會引起(qi)單(dan)層石墨烯(xi)中看不到的(de)(de)(de)(de)相(xiang)，譬如(ru)在(zai)高溫超導的(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，增加或減(jian)少電(dian)子(zi)(zi)(zi)密(mi)度(du)會抑(yi)制絕緣行為并(bing)產生超導相(xiang)（電(dian)子(zi)(zi)(zi)以(yi)(yi)零電(dian)阻傳輸）。

這些基于電導率的(de)觀(guan)測(ce)清(qing)晰地(di)確定了相互作用引起的(de)絕緣和超(chao)導相的(de)存在。然(ran)而，更微觀(guan)的(de)性質(zhi)依然(ran)如(ru)上古之謎，不甚明了。

今日，Nature連(lian)發3篇(pian)研究論(lun)文，并(bing)配了1篇(pian)NEWS AND VIEWS的專業(ye)解(jie)讀，加上arXiv預印(yin)本(ben)上早先的一篇(pian)文章，4個研究團隊獨立地運用譜(pu)學技術對魔角石墨烯的特殊行(xing)為(wei)進(jin)行(xing)了闡(chan)述。

4個研究團隊(dui)都是(shi)使用掃(sao)描隧道顯微鏡（STM）來測(ce)量(liang)原子(zi)級結構和(he)電子(zi)能量(liang)分布。其基本(ben)原理(li)為：STM的(de)導電針(zhen)(zhen)尖(jian)掃(sao)描樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)，根據(ju)所(suo)施(shi)加的(de)電壓(ya)是(shi)正還是(shi)負，電子(zi)從(cong)針(zhen)(zhen)尖(jian)遂(sui)穿到樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)，或者從(cong)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)遂(sui)穿到針(zhen)(zhen)尖(jian)，所(suo)得到的(de)電流隨針(zhen)(zhen)尖(jian)位置的(de)變化對樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)形貌進(jin)行編碼。電流隨電壓(ya)變化，代表了樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)狀態局部密度——在給定能量(liang)下(xia)電子(zi)可以占據(ju)的(de)量(liang)子(zi)態數量(liang)。

利用STM技術(shu)，研究團隊使(shi)魔角石墨烯中(zhong)的(de)(de)(de)莫(mo)爾(er)條紋變(bian)得(de)可(ke)視化(hua)，從而可(ke)以通過觀察不同(tong)方(fang)向的(de)(de)(de)條紋間(jian)距的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)來量化(hua)系(xi)統中(zhong)的(de)(de)(de)應變(bian)量。該(gai)方(fang)法(fa)還揭示了由(you)兩個單層石墨烯片的(de)(de)(de)耦合產生的(de)(de)(de)碳原子(zi)的(de)(de)(de)空間(jian)重(zhong)排。這些細(xi)節對于精(jing)確理解電子(zi)能帶結構至關重(zhong)要，也是精(jing)確建模絕緣和超導相(xiang)必(bi)不可(ke)少的(de)(de)(de)第(di)一步。

研究團隊發(fa)現(xian)，態密度和有(you)(you)多少電(dian)子占據(ju)扁平帶緊密相(xiang)關，該結果直(zhi)接(jie)展(zhan)示出系統中電(dian)子之(zhi)(zhi)間(jian)相(xiang)關性(xing)的(de)(de)重要性(xing)。特(te)別重要的(de)(de)是，在低(di)能量情況(kuang)下，態密度受到(dao)電(dian)子濃度有(you)(you)關的(de)(de)抑制，這一發(fa)現(xian)確立了電(dian)子特(te)性(xing)與電(dian)子傳輸之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)直(zhi)接(jie)聯系。

哈佛大(da)學Mathias S. Scheurer教授(shou)指(zhi)出，這(zhe)四(si)組研究(jiu)數(shu)據中(zhong)有三個主要差(cha)異，值得大(da)家(jia)關注(zhu)。

1.Jiang等(deng)人在完全填充或(huo)空平帶的(de)態密(mi)度中僅(jin)觀察到單個(ge)峰值，而(er)其他團(tuan)隊看到兩(liang)個(ge)峰值。在扭曲的(de)雙層(ceng)石墨烯(xi)的(de)常用理論模型中，預期有兩(liang)個(ge)峰，造成(cheng)這種(zhong)差異的(de)原因(yin)尚不清(qing)楚(chu)。一種(zhong)可能(neng)的(de)解釋(shi)是(shi)，接近魔角，態密(mi)度對(dui)樣品(pin)制備過程中可能(neng)發生的(de)擾動(dong)高度敏(min)感。

2.在獲得兩個(ge)峰(feng)值的(de)三組(zu)實驗中，當部(bu)分填充扁平帶時，Xie等(deng)人看到了最顯著的(de)電子(zi)相關(guan)性影(ying)響(xiang)，他們不僅發(fa)現具(ju)有部(bu)分占據電子(zi)態的(de)峰(feng)形成了類(lei)似間隙(xi)的(de)特征，也發(fa)現了第二個(ge)峰(feng)值變(bian)得非常(chang)扭(niu)曲。

3.各(ge)種(zhong)研究中(zhong)，不同電(dian)(dian)子濃度對(dui)雙層系(xi)統(tong)旋轉對(dui)稱性的破(po)壞尤為突出：與絕緣體相關(guan)的濃度；電(dian)(dian)荷中(zhong)性點(dian)附近的濃度，其(qi)中(zhong)一(yi)半平帶填(tian)充；平帶部分填(tian)充的任何(he)濃度。這種(zhong)增強的對(dui)稱性破(po)壞很可能源于(yu)(yu)電(dian)(dian)子，因為其(qi)大小取(qu)決于(yu)(yu)系(xi)統(tong)中(zhong)電(dian)(dian)子的密度。but，who knows?

總之，這四篇論(lun)文表明(ming)，STM測量魔角扭(niu)曲的(de)雙(shuang)層石墨(mo)烯可(ke)以為對稱性(xing)破壞和電子相關性(xing)的(de)局(ju)部效應提(ti)供有價值的(de)見解，并未(wei)(wei)未(wei)(wei)來的(de)STM研究(jiu)提(ti)出許多直接的(de)開放性(xing)問題。不同群體(ti)的(de)調查結(jie)果(guo)之間存在差異的(de)原因(yin)是什么？觀察(cha)到的(de)哪些現(xian)象是扭(niu)曲的(de)雙(shuang)層石墨(mo)烯的(de)固有特征(zheng)，它們對擾動很(hen)穩(wen)定，還是更脆弱？

這個年輕而富有(you)活力(li)的研(yan)究領域(yu)充(chong)滿了令人(ren)興奮的驚喜(xi)等待(dai)被發現，譜學(xue)技術將繼續在(zai)這一領域(yu)中(zhong)發揮關鍵作用(yong)，并可能成為強相關物理論的通用(yong)測試平臺。

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