今日Nature：增强扭曲双层魔角石墨烯的电子相互作用

通过调节两晶体之间扭曲中间层的摩尔超晶格势，可以在较大范围内对厚度为原子级的范德华晶体异质结的电子性质进行调控。

通过调控扭曲双层石墨烯（TBG）的能带结构，研究人员已在约为1.1°的魔角附近发现了TBG的超导相和绝缘相，其相图类似于具有高转变温度的超导体。

近日，美国哥伦比亚大学的Abhay N. Pasupathy和德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所的Angelrubio（共同通讯作者）等用扫描隧道显微镜（STM）对接近魔角的TBG进行了原子尺度的微观结构表征及电子性质测试。

在TBG魔角下，实验观测到局域态密度存在两个明显的霍夫奇点(VHS)，其能量相差57 meV。随着电子/空穴的掺杂浓度增大，其能量差值逐渐减小至40 meV。

值得注意的是，随着层间扭转角减小，VHS的能量间隔继续减小。当层间扭转角减小到0.79°时，VHS的能量间隔下降到7-13meV。

研究发现，魔角下的库伦相互作用势与能带宽度之比（U/t）最大。这可由电子库珀对的作用机理印证。

当在半填充的摩尔带附近掺杂时，经修正的带隙使VHS能量间隔劈裂。当层间扭转角为1.15°时，VHS的能量间隔达到最大值6.5meV；当层间扭转角减小到0.79°时，VHS的能量间隔下降到4 meV。

利用Hartree–Fock模型，研究人员得到了与掺杂浓度及层间扭转角度相关的显微学证据，从而获取有关原位及近邻原子库伦相互作用的信息。

研究表明，魔角TBG为中等强度的关联体系。

STM揭示了能量和掺杂浓度对于TBG局域态密度的三重旋转对称性破缺的影响。在费米能级附近，对称性破缺的程度最高。当掺杂到相关能带区域，对称性破缺的程度会进一步提高。

该工作以“Maximized electroninteractions at the magic angle in twisted bilayer graphene”为标题于2019年7月31日发表在国际顶刊Nature上。

今日Nature：增强扭曲双层魔角石墨烯的电子相互作用

图文导读

今日Nature：增强扭曲双层魔角石墨烯的电子相互作用

图一、接近魔角的TBG原子结构

今日Nature：增强扭曲双层魔角石墨烯的电子相互作用

图二、魔角TBG的局域态密度和能带宽度

今日Nature：增强扭曲双层魔角石墨烯的电子相互作用

图三、掺杂浓度对魔角TBG局域态密度的影响

今日Nature：增强扭曲双层魔角石墨烯的电子相互作用

图四、魔角TBG在掺杂条件下的波函数与对称性破缺

文献信息

Maximized electroninteractions at the magic angle in twisted bilayer graphene （Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1431-9）