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易倍体育emc科学家拍到了魔角扭曲双层石墨烯的微观图像
发布时间:2024-07-10 00:50:38 来源:emc全站官网 作者:emc全站网页版

  扭曲双层石墨烯的扫描隧道显微镜图像,其中显示了石墨烯原子晶格(左图)和魔角石墨烯摩尔纹超晶格(右图)。图片来源:Kevin Nuckolls,Yazdani Group,普林斯顿大学

  普林斯顿大学领导的一个科学家团队对精确的微观基础进行了成像,这些基础负责在一种称为魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)的材料中观察到的许多量子相。这种非凡的材料由以二维六边形图案排列的碳原子扭曲层组成,近年来一直处于物理学研究的前沿,特别是在凝聚态物理学中。

  研究人员首次能够专门捕获相互作用电子的微观行为的前所未有的精确可视化,这些相互作用电子产生了MATBG的绝缘量子相。此外,通过使用新颖和创新的理论技术,他们能够解释和理解这些行为。他们的研究发表在《自然》杂志上。

  扭曲双层石墨烯的惊人特性于2018年由麻省理工学院(MIT)的Pablo Jarillo-Herrero及其团队首次发现。他们表明这种材料可以是超导的,一种电子在没有任何阻力的情况下自由流动的状态。这种状态对我们的许多日常电子产品至关重要,包括用于MRI和粒子加速器的磁铁,以及用于构建量子计算机的量子比特(称为量子比特)的制造。

  自这一发现以来,扭曲双层石墨烯已经展示了许多新颖的量子物理状态,例如绝缘,磁性和超导状态,所有这些都是由电子的复杂相互作用产生的。电子如何以及为什么在MATBG中形成绝缘状态一直是该领域未解决的关键难题之一。

  这个难题的解决方案不仅可以解锁我们对绝缘体和近似超导体的理解,还可以解锁科学家试图理解的许多不寻常的超导体所共有的这种行为,包括高温铜酸盐超导体。

  “MATBG在单一材料平台上展示了许多有趣的物理学 - 其中大部分仍有待理解,”该论文的共同主要作者Kevin Nuckolls说,他于2023年在普林斯顿大学物理系获得博士学位,现在是麻省理工学院的博士后研究员。“这种绝缘阶段,电子被完全阻止流动,一直是一个真正的谜。

  为了产生所需的量子效应,研究人员将两片石墨烯堆叠在一起,顶层略微倾斜。这种不协调的位置创造了一个摩尔纹图案,类似于常见的法国纺织品设计,并以法国常见的纺织品设计命名。然而,重要的是,石墨烯顶层必须定位的角度正好是1.1度。这是产生量子效应的“魔术”角度;也就是说,这个角度在石墨烯片中的电子之间诱导了奇怪的、强相关的相互作用。

  虽然物理学家已经能够在这种材料中证明不同的量子相,例如零电阻超导相和绝缘相,但人们对为什么这些相发生在MATBG中知之甚少。事实上,之前所有涉及MATBG的实验都很好地证明了系统能够产生什么,但没有说明系统产生这些状态的原因。

  “这个实验的总体思路是,我们想问一些关于这些量子相起源的问题 - 真正了解电子在石墨烯原子尺度上到底在做什么,”Nuckolls说。“能够在显微镜下探测材料,并拍摄其相关状态的图像 - 有效地识别它们 - 使我们能够非常清晰和精确地辨别其中一些相的微观起源。我们的实验也有助于指导理论家寻找未预测的阶段。

  这项研究是两年工作的结晶,由普林斯顿大学和加州大学伯克利分校的一个团队完成。科学家们利用扫描隧道显微镜(STM)的力量来探测这个非常微小的领域。该工具依赖于一种称为“量子隧穿”的技术,其中电子在显微镜的锋利金属尖端和样品之间漏斗。显微镜使用这种隧穿电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。然后将这些量子隧穿事件的测量结果转换为高分辨率、高灵敏度的材料图像。

  然而,第一步 - 也许是实验成功的最关键一步 - 是创建研究人员称之为“原始”样本的样本。构成扭曲双层石墨烯样品的碳原子表面必须没有缺陷或缺陷。

  使用扫描隧道显微镜测量的高分辨率图像显示了魔角石墨烯中的量子干涉图案。这些图案在材料中的变化方式告诉研究人员其量子态的微观起源。图片来源:Kevin Nuckolls,Yazdani Group,普林斯顿大学

  “使这篇论文发生的技术突破是我们小组能够使样品在清洁度方面如此原始,以至于你在论文中看到的这些高分辨率图像是可能的,”1909届物理学教授兼普林斯顿大学复杂材料中心主任Ali Yazdani说。“换句话说,你必须制造十万个原子,没有一个缺陷或无序。

  实际的实验涉及将石墨烯片放置在正确的“魔角”中,为1.1度。然后,研究人员将STM的锋利金属尖端定位在石墨烯样品上,并测量了他们在样品上移动尖端时的量子机械隧穿电流。

  “这种量子尺度的电子不仅是粒子,而且也是波,”普林斯顿大学物理系研究生、该论文的共同主要作者之一瑞安·李(Ryan Lee)说。“从本质上讲,我们正在成像电子的波状图案,其中它们相互干扰的确切方式告诉我们一些非常具体的信息,即是什么导致了潜在的电子状态。

  这些信息使研究人员能够对扭曲的双层石墨烯产生的量子相做出一些非常精辟的解释。重要的是,研究人员利用这些信息来关注和解决多年来一直挑战该领域研究人员的长期难题,即当石墨烯调谐到其魔角时发生的量子绝缘阶段。

  为了帮助从理论角度理解这一点,普林斯顿大学的研究人员与加州大学伯克利分校的一个团队合作,由普林斯顿大学的物理学家B. Andrei Bernevig和伯克利的Michael Zaletel领导。该团队开发了一种称为“局部有序参数”分析的新颖创新的理论框架,以解释STM图像并了解电子在绝缘阶段的作用 - 换句话说,它们如何相互作用。他们发现,绝缘状态的发生是由于电子之间的强烈排斥力,在微观水平上。

  “在魔角扭曲双层石墨烯中,挑战在于对系统进行建模,”加州大学伯克利分校的研究生和理论家,该论文的共同主要作者之一Tomohiro Soejima说。“有许多相互竞争的理论,没有人知道哪一个是正确的。我们的指纹实验非常关键,因为这样我们就可以确定产生绝缘相的实际电子相互作用。

  通过使用这个理论框架,研究人员首次能够测量观察到的电子波函数。“该实验引入了一种分析量子显微镜的新方法,”Yazdani说。

  研究人员建议,该技术 - 图像和理论框架 - 可用于分析和理解MATBG中的许多其他量子相,并最终帮助理解可能对下一代量子技术应用有用的新的和不寻常的材料特性。

  “我们的实验是一个很好的例子,说明大自然母亲如何如此复杂 - 可能真的很令人困惑 - 直到你有正确的框架来看待它,然后你说,哦,这就是正在发生的事情,”Yazdani说。

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