Finding the Magic in the Magic Angle

麻省理工学院(MIT)的研究人员发现了用于叠层石墨烯的"magic angle",震惊了物理世界一年多之后,加州理工学院(Caltech)的研究人员利用扫描隧道显微镜直接观察和研究了这种材料,这种扫描隧道显微镜可以在原子长度的尺度上成像电子特性。

理解"magic angle"——在堆积的石墨烯之间产生特殊电性能的特定方向——可以为实现室温超导体的梦想铺平道路,这种超导体可以在产生零热量的同时传输巨大的电流。

但首先:这个神奇的角度是什么?假设你取两张石墨烯薄片(单原子厚的碳原子晶格),将其中一层叠在另一层之上,形成双层材料,然后将其中一张石墨烯薄片扭曲,使它们的方向相互转换。随着取向的改变,双层材料的电子性质也会发生变化。2018年初,麻省理工学院的研究人员发现,在一定的方向上(大约1.1度的相对扭转),双层材料出人意料地变成了超导材料,而且超导性能可以通过电场来控制。他们的发现开启了一个新的研究领域,即神奇的角取向石墨烯,被称为“缠绕学”。

加州理工学院(Caltech)的工程师和物理学家在这一发现的基础上,绘制了一幅神奇的角扭曲石墨烯的原子结构和电子特性的图像,通过提供一种更直接的研究方法,对这一现象产生了新的见解。8月5日,一篇关于他们工作的论文发表在《自然物理》杂志上。

加州理工学院的Stevan Nadj-Perge说,这拉开了twistronics的帷幕。他是这篇论文的通讯作者,也是工程与应用科学部门应用物理与材料科学的助理教授。

研究神奇角度需要极高的精确度,才能使两片石墨烯以正确的角度对齐。旧的技术需要将石墨烯嵌入绝缘材料中,这有一个不幸的副作用,阻止了对样品的直接研究。相反,研究人员不得不使用间接的方法来探测石墨烯样品——例如,通过测量电子是如何流经石墨烯的。Nadj-Perge和他的同事们开发了一种新方法,可以制造出一种神奇的角扭曲石墨烯样品,这种样品可以用来非常精确地对齐两层石墨烯,同时让石墨烯暴露在外面直接观察。

利用这项技术,研究人员可以了解更多关于这种材料在幻角下的电子特性,以及当扭转角远离幻角时这些特性如何变化。他们的工作提供了几个关键的见解,将指导未来的理论建模和实验,包括观察到电子相关性在电荷中性点附近发挥着重要作用,电荷中性点是双分子层处于电子中性的角度。

" Nadj-Perge说,在此之前,人们认为相关效应在电荷中性中并不起主要作用。"Closer, more detailed examination of samples like this可以帮助我们解释为什么在幻角附近存在奇异的电子效应。一旦我们知道了这一点,我们就能为它的实际应用铺平道路,甚至有一天能使它具有室温超导性

这篇论文的题目是"Electronic related in twisted double layer graphene near The magic angle。"论文的共同作者包括吉尔·雷费尔,泰勒·w·劳伦斯理论物理学教授;理论物理学教授Jason Alicea;加州理工学院的研究生Choi Youngjoon、Harpreet Arora、Robert Polski和Yiran Zhang;加州理工学院博士后学者珍妮特·凯默、杨鹏、亚历克斯·汤姆森、任鹤琛;以及德国柏林自由大学的Felix von Oppen;以及日本国家材料科学研究所的渡边健二(Kenji Watanabe)和谷口隆(Takashi Taniguchi)。这项研究由美国国家科学基金会、卡弗里纳米科学研究所、加州理工学院量子信息与物质研究所、加州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所、德国福申茨基梅因沙夫特研究所、宽正教育基金会和跨区域合作研究中心183资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/finding-magic-magic-angle

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