背景介紹
石墨烯是石墨的壹種成分，由壹個碳原子和三個相鄰的碳原子結合而成。它是六邊形蜂窩狀網絡結構的單層碳原子，厚度相當於壹個碳原子。單層石墨烯的存在已經被預言了幾十年，並且已經成功地生長在其他材料的表面，但是學術界對石墨烯研究的興趣爆發於2004年，因為那是第壹次可以通過機械手段(機械剝離法)將石墨烯從石墨薄片中分離出來。
石墨烯經常被描述為壹種神奇的材料，具有透明性、優異的導電性和極強的柔韌性。但是有些人對壹些更基本的問題感興趣。石墨烯作為壹種二維導體材料，表現出不同尋常的電學和磁學性質，在量子限域效應和電子相互作用方面具有巨大的研究價值，在電子元器件、設備等領域具有應用前景。2010諾貝爾物理學獎授予英國曼切斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩位教授，以表彰他們在石墨烯研究領域的傑出貢獻。
當兩個石墨烯片足夠靠近相互作用時，它們奇妙的特性會被進壹步放大。特別引人註目的是，石墨烯的電子性質可能取決於石墨烯片的相對角度，即兩層蜂窩晶格之間的排列。兩個蜂窩點陣疊加在壹起，可能會產生壹種“超晶格”結構:點陣之間的規律性在壹定角度匹配後更加明顯，甚至強於點陣間距帶來的影響。這就是眾所周知的“莫爾效應”——當妳從遠處看兩個間隔很近的網格時，可以觀察到這種光學現象。
這種扭曲雙層石墨烯(TBG)的電子特性要求可以精確控制兩個石墨烯片的位置和角度。這些現象現在被認為在其他二維材料中是常見的，例如六方氮化硼(h.BN)片。這些研究為凝聚態物理研究開辟了壹片沃土，具有某些特定扭曲角的魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)表現出更加迷人的電子特性。
巴勃羅·賈裏洛-赫雷羅的團隊率先制造了魔角石墨烯材料。
艾倫·麥克唐納是第壹個從理論上預測魔角存在的科學家之壹。
NSR:如何發現扭曲雙層石墨烯中的異常電子行為？這些效應在被發現之前就被理論預測到了嗎？
PJ-H:大約從2007年開始，許多理論小組開始研究扭曲雙層石墨烯。到2009年底，Eva Andrei的團隊報道了利用掃描隧道顯微鏡(STM)對扭曲雙層石墨烯的研究[G. Li等，Nat Phys 2010；6: 109] 。他們觀察到數據中的峰值似乎隨著扭轉角而變化，這個峰值被認為是van Hove奇點(Van Hove singular peak)的電子結構的特征。特別地，對於大約1.16的扭轉角，兩個範霍夫峰之間的峰間距接近於零。幾乎在同壹時間，另外兩個小組研究了極小角度的扭曲雙層石墨烯:智利的Eric suárez Morell[e . s . Morell et al .，Phys Rev B 2010；82: 121407]以及美國拉菲·比斯特裏澤和艾倫·麥克唐納團隊[R .比斯特裏澤和a .麥克唐納，Procnatl Acad Sci USA 2011；108: 12233] 。兩組都預測扭曲的雙層石墨烯在1.1到1.5的角度上有壹個平坦的電子帶。Bistritzer和MacDonald創造了“魔角”這個術語，指的是費米能級的電子速度變為零的角度(費米能級是壹個電子在絕對零度時所能占據的最高能級)。
AM:“我對歷史的理解超越了學術出版物”，這句話出自伊娃·安德烈的文章。Eva是第壹個測量電子結構神奇變化的人，她發現了雙層石墨烯片在STM密度測量中意外產生莫爾效應的特性。伊娃告訴我，觀察是第壹位的，這啟發了安東尼奧·卡斯特羅-內托和喬？洛佩斯·多斯桑托斯的理論。
我對石墨烯摩爾超晶格的興趣始於與佐治亞理工學院的艾德·康拉德的壹次對話。他給我看了壹些角分辨率光電子能譜數據，我看不懂。當我和我的博士後Rafi Bistritzer開始計算時，我們發現計算結果顯示，在壹組離散的扭曲角下，石墨烯電子的速度會下降到零。我們稱這些角為魔角，最大魔角約為1。這完全出乎我們的意料，我們立即意識到這意味著壹個具有無限前景的強相互作用電子平臺。過了壹段時間，我們註意到智利的壹個研究小組也獨立開啟了壹些魔角物理的微光。但當時並不清楚是否有實驗者能在扭轉角可控的情況下，設置樣本觀察這種物理現象。我的同事伊曼紐爾·圖圖克在這個方向上做了很多工作，為巴勃羅的工作提供了壹些資料。
NSR:是什麽促使妳研究這個系統？現在看來，用可控的方式觀察電子關聯現象已經成了壹個景點——這個結果是意料之中還是意料之外？
PJ-H:起初，我研究扭曲雙層石墨烯的動機是直覺。凝聚態物理中的這個“新旋鈕”，即改變扭曲角，很可能帶來有趣的物理現象。凝聚態物理中的系統通常非常復雜，在探索未知領域時往往會有意想不到的收獲。就魔角石墨烯而言，我的動機是尋找有趣的相關絕緣態。我認為當石墨烯中的費米能級移動到範霍夫奇點時，可能會顯示出相關的絕緣狀態。[NSR:當費米能接近這個奇點時，新的電子相，比如超導性，已經被觀察到了。我們確實發現了絕緣——但令我們驚訝的是，它們是完全不同的類型。絕緣行為發生在每個摩爾單元的整數個電子中，而不是因為範霍夫奇點。這是壹個很大的驚喜。更大的驚喜是超導的發現，更出乎意料。
AM:我們最初發現的魔角效應理論並沒有達到早期實驗的預期。因此，我們很難發表這篇文章，因為審稿人認為我們肯定是錯的。巧合的是，當時我恰好被選為美國科學院院士，我被允許在PNAS發表就職文章，評論非常松散。所以我決定放棄與評論者的拉鋸戰，直接在PNAS上發表我們的發現。
在那篇論文之後，我試圖找到其他可以觀察到有趣的莫爾超晶格現象的例子。我提出了拓撲激子帶實現的可能性[F .吳等，phys rev lett 2017；118:147401]以及很多光學特性相關的建議。我還提出，層狀過渡金屬二硫化物(TMD)的莫爾體系會產生與石墨烯結構完全不同的物理性質。摩爾領域的這部分研究現在已經真正開始付諸實踐。
新物質原則的樂土
NSR:從絕緣體到超導體再到磁性材料，這些石墨烯系統產生的電子狀態似乎非常多樣。產生如此多樣狀態的物理基礎是什麽，決定這些性質的關鍵因素是什麽？
PJ-H:我們仍在試圖完全理解這些系統。但是妳的基本觀察是正確的——魔角石墨烯和其他幾個摩爾系統現在顯示出壹組非常豐富的相關行為。起源似乎是這些系統都有很窄的電子帶(意思是電子的動能很小)，所以電子之間的相互作用能起主導作用。壹旦電子之間發生強相互作用，可能的多體基態(如超導、相關絕緣體、磁性等。)成為可能。我們可以瀏覽所有這些模式，這要歸功於摩爾系統的高度可調性。
AM:多層石墨烯中的強關聯和量子霍爾效應中的強關聯有很多相似之處。Eslam Khalaf、Ashvin Vishwanath和Mike Zaletel的工作說明了這種聯系。從根本上說，與電子能帶的拓撲特性有關。同時，這些系統具有準二維Hubbard模型(強關聯電子系統最簡單的晶格模型之壹)的特征。魔角石墨烯似乎是量子霍爾效應和高溫超導性的結合，是壹個很神奇的體系。
NSR:妳能解釋壹下魔角效應嗎？是什麽讓石墨烯層在某些取向上“特別”？
PJ-H:魔角效應是壹種“* * *振動”的狀態。這種魔角推動的電子結構使得電子穿越石墨烯層變得如此容易，就像為這些電子提供了壹個通往另壹個石墨烯層的“直接隧道”。用更簡單的話來說，MATBG中電子行為多變的壹種解釋是，當電子具有很大的動能(運動速度非常快)時，它們幾乎沒有時間相互作用。但在MATBG中，電子運動緩慢，所以當它們經過時，會有更多的機會相互作用。
NSR:在這個系統中，絕緣和超導性之間的相互作用似乎接近於在氧化銅的高溫超導性中觀察到的相互作用。兩者之間是否有近似的物理規律在起作用？這些行為真的會幫助我們理解這類材料中超導性的起源嗎？
PJ-H: Matbg和銅酸鹽超導體的相圖確實有許多相似之處，但也有許多不同之處。例如，它們的晶格對稱性和電子結構的拓撲性質有很大的不同。另外，cuprate中的電子是簡並自旋，而MATBG中的自旋態更豐富。因此，尚不清楚對MATBG的了解是否有助於我們理解銅氧化物中超導性的起源。雖然我的直覺會有幫助，但現在說還為時過早。
AM:對於這些問題，我們沒有完全自信的答案，但我們正在取得進展。高溫超導體和MATBG系統有很多相似之處，其中磁序臨界點和費米面重構最引人關註。在我看來，通過進行新的實驗和理論場景測試，我們可能會進壹步增強對MATBG超導的理解，進展也將有助於我們理解高溫超導的出現。通過原位調制電荷載流子密度或其他方式(例如，通過改變柵格間距、介電環境和平面磁場等)來調制系統特性的可能性。)是MATBG的重要優勢。
NSR:維度在這裏扮演什麽角色？這些行為依賴於這是壹個準2D系統的基本事實嗎？這種行為是否與量子霍爾效應等低維量子多體系統的研究有關？
PJ-H:由於各種原因，維度非常重要。其中有:MATBG因其二維幾何結構而具有較高的電學可調性；電子結構(如電子態密度)取決於維度；相互作用效應也可能強烈依賴於維度(比如電子屏蔽效應在1D、2D和3D中差別很大)；至於量子霍爾物理，QHE和MATBG(以及其他幾個相關的莫爾系統)中的電子能帶本質上是拓撲的，它們之間有著深刻的聯系。這就是為什麽後者可以表現出有趣的量子霍爾效應，甚至在零磁場下(不同於標準QHE)。
AM:低維系統中的電子關聯往往更強，在更廣的範圍內產生令人驚訝的多電子態，包括分數量子霍爾效應(FQHE)系統、MATBG、雙層或三層石墨烯。QHE的拓撲圖構成了MATBG和f QHE之間的物理連接。這種聯系的壹個實驗證明是MATBG中反常量子霍爾態(沒有磁場的QHE)的普遍出現。
挑戰、應用和迎接機遇。
NSR:如何通過實驗研究這些系統？現在高質量單層石墨烯的生產是套路嗎？如何控制石墨烯片的相對取向？
PJ-H:超高質量單層石墨烯的生產已經非常標準化，比如石墨機械剝離法，全球有上千個團隊可以做到這壹點。棘手的是要精確控制旋轉角度，把兩片石墨烯片疊在壹起，尤其是像魔角1.5438+0這樣的小角度。目前全球只有15團隊能做MATBG，但是團隊壹直在壯大，因為技術只要有人演示就很好學。在新冠肺炎疫情爆發之前，許多團隊來到麻省理工學院了解MATBG，他們中的許多人現在已經復制並擴展了我們的許多成果。
AM:我們已經取得的成就是驚人的，但如果我們能夠開發出更精細地控制扭轉角的技術，並使扭轉角的分布更加均勻，將會加速這壹領域的進展。
NSR:在這些系統中需要探索的關鍵問題是什麽？就個人而言，妳現在最渴望學習的是什麽？
PJ-H:還有許多關鍵問題有待探索。也許最重要的問題之壹是超導的確切機制和序參量的對稱性。目前的實驗和理論似乎指向了壹種非常規的超導起源機制(有人認為MATBG可能是壹種非常特殊的參數態下的電子-聲子介導的超導體，盡管並不是所有人都同意)。我們還需要更詳細地研究這壹點。我個人期待發現和研究新的莫爾體系、新的超導體及其相關的拓撲行為。我認為我們僅僅觸及了數百個可能建立的莫爾系統的表面。這些系統在組成、幾何性質和復雜狀態方面是不同的。
AM:我認為在MATBG中確定超導的起源機制很重要。我正在解決這個問題。壹個重要的期望是，我們將能夠在MATBG或過渡金屬二硫化物(TMD)莫爾圖中實現分數反常量子霍爾系統(也稱為分數陳絕緣體)以顯示量子反常霍爾效應。鑒於莫爾超晶格的靈活性，我們將可能發現和設計有利的條件。分數量子霍爾(FQH)態也是拓撲量子計算可能的研究對象之壹。
NSR:在探索這些系統時，似乎還有許多潛在的自由度。例如，現在壹些研究興趣是將兩層系統擴展到三層，那麽我們可以預測或觀察什麽？再比如，用氮化硼等其他二維材料組成的異質雙層結構會有什麽收獲？
AM:我對尋找其他可以用來構建新莫爾超晶格的層狀材料非常感興趣。每壹個發現都會帶來壹個新的物理宇宙。在TMD和扭曲石墨烯基Moore系統存在的情況下，我們有壹個巡航電子鐵磁體系統的案例——只有磁序溫度相當低。尋找提高有序溫度的方法並探索其極限將是非常有趣的。由於莫爾超晶格系統可以進行多種方式的調制，因此前景相對樂觀。這是制造人造可調諧晶體的壹個全新例子，我們只是觸及了表面。我們將見證發生了什麽——這就是科學的魅力。
PJ-H:的確，可能性幾乎是無限的。就在今年早些時候，Philip Kim的團隊和我的團隊在魔角扭曲三層石墨烯(MATTG)中獨立發現了超導性。魔角略有不同(約1.6)。這個數據其實是幾年前在理論上預測出來的，所以我們知道該往哪裏行動。原來MATTG裏的超導比MATBG裏的更有意思，因為它更強大，更可調。但是使用異質雙層結構確實可以帶來很多新的東西，雙層石墨烯/氮化硼摩爾體系中量子反常霍爾效應(QAHE)的發現就是最早的例子之壹。
NSR:更壹般地說，MATBG系統反映了過去二十年來對強關聯電子研究的學術興趣的爆炸式增長，催生了壹批量子材料的發現，如拓撲絕緣體、majorana零模、外來半金屬等。是什麽促使了研究興趣的爆發？是否有新的理論出現來統壹物質的量子和電子相態？還是我們在相當程度上還處於發現和驚喜的階段？
PJ-H:凝聚態物理在20世紀80年代經歷了兩次革命，分別是整數/分數量子霍爾效應的發現(將拓撲學帶入該領域)和高溫超導的發現(將強相關系統推向學科前沿)。從那以後，拓撲學研究領域和強相關系統沒有緊密聯系起來，因為領域完全不同。2000年後，有三個顛覆性的發現:石墨烯和二維晶體材料的發現；拓撲絕緣體的理論預測和實驗發現:發現了第二族高溫超導體，即磷化鐵材料。然而，這些領域在很大程度上仍然是獨立的。正是MATBG整合了三個研究領域，因為它具備了所有的特性。“莫爾量子物質”的話題在所有這些領域都引起了熱烈的討論。
AM:在我看來，我們仍然處於發現和驚喜的階段，但我非常樂觀地認為，這些新的強關聯系統將導致對強電子關聯物理更廣泛和更深入的理解。
NSR:在實踐中，尤其是在設備技術方面，有可能應用這些系統嗎？
PJ-H:這總是很難預測的。目前，我的團隊甚至整個領域的研究人員都被鼓勵在這些系統中探索基礎物理的魅力。實際來說，MATBG(工程上稱為超導場效應晶體管)作為壹種電可調超導體，如果能大規模制造出來，就很容易想象了。包括超導量子比特、量子光電探測器和低溫經典計算。
艾米:就個人而言，我對尋找潛在的應用非常感興趣——也許是光學性質，也許是自旋電子學。與TMD的界面在調整自旋軌道相互作用力方面可能是有用的，這對於自旋電子學是非常重要的。
魔角在中國
NSR:妳對中國在這壹領域的研究有何印象？
PJ-H:從理論物理的角度來看，中國學術界對這項研究非常感興趣。在實驗工作方面，國內只有少數幾個具有納米制造經驗的團隊(其中最著名的是復旦大學的張教授)能夠制作出高質量的莫爾量子系統，而且他們正在做著出色的研究。鑒於最近國內科研的快速發展，估計未來幾年內會有更多的實驗組開始研究這個課題。
我以前的學生曹淵在許多方面都是壹位偉大的科學家。他聰明、勤奮、有創造力、效率高。他不僅是我前面提到的兩篇發現論文的第壹作者，也是該領域的年輕領軍人物，此後壹直在該領域做出傑出貢獻。他在非常年輕的時候就獲得了許多獎項，包括麥克米蘭獎(年輕凝聚態物理學家最負盛名的獎項)和最近的薩克勒物理學獎。和他合作我覺得很幸運。我想我從他身上學到的和他從我身上學到的壹樣多。我相信他會成為他那壹代科學家的領袖。
AM:我們組以前的學生武鳳呈為TMD Moore系統做了重要的前期工作，涉及到它的光學和電學特性，他在MATBG超導的研究方面也做出了貢獻。現為武漢大學教授，該領域領軍人才。香港大學的王堯是研究TMD莫爾系統光學特性的主要科學家。在清華大學的磁性拓撲絕緣體中首次觀察到量子反常霍爾效應。MATBG提供了第二個例子和壹些有趣的相似和不同之處。
NSR:是什麽(或誰)給了妳做這份工作的主要靈感？妳會給進入這壹領域的年輕研究人員什麽建議？
PJ-H:我的許多同事都很有創造力，他們的凝聚態物理實驗激勵了我的團隊。其中包括保羅·麥克尤恩(康奈爾大學)、安德烈·海姆(曼徹斯特大學)和阿米爾·雅各布(哈佛大學)。當然，我在代爾夫特理工大學的博士生導師Leo Kouwenhoven和我在哈佛的博士後導師Philip Kim對我研究思路的形成都有很大的影響。對於年輕的科研人員，我會說:勇於冒險，跟著自己的興趣走，不要讓別人限制了妳的野心。
AM:我做這個已經很久了。我真的很享受實驗帶來驚喜的能力。我做材料科學的基礎理論方法，試圖在那些實驗中已經觀察到的現象中尋找刺激。我的直覺很大程度上來源於已知的實驗結果，以及對不同理論模型描述自然的成敗的反思。加深對觀察到的但仍然神秘的現象的理論理解也是非常有趣的。
我建議年輕的研究人員發展他們自己獨特的方式來思考他們研究領域中的問題。每當遇到不懂的事情，請打破砂鍋問到底，直到無所不知。很多時候，新的想法只是前人想法的壹些細節——但並不確定，有時候會變成真正新的東西。
本文翻譯自《國家科學評論》的采訪文章《石墨烯的新轉折:對巴勃羅·賈裏洛-赫雷羅和艾倫·麥克唐納的采訪》，作者菲利普·鮑爾，由智社編譯。
原文鏈接:/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac 005/6506475。