新的研究捕捉到相互作用的电子行为，揭示了产生绝缘态的关键未解之谜，从而在该领域取得了重要突破。
由普林斯顿大学的科学家带领的研究团队利用先进的显微技术解开了MATBG中电子相互作用的奥秘，为量子技术的进展铺平了道路。
具体而言，研究人员首次能够以前所未有的精确可视方式捕捉到导致MATBG绝缘量子相的电子微观行为。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。
历史背景
2018年，马萨诸塞理工学院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero及其团队首次发现了扭曲双层石墨烯的迷人性质。他们表明这种材料可以成为超导材料，即电子在其中自由流动而没有任何阻力。这种状态对我们日常电子设备非常重要，包括磁共振成像仪和粒子加速器中的磁体，以及用于构建量子计算机的量子比特（称为量子位）等。
自从发现了扭转双层石墨烯，它展示出了许多新颖的量子物理状态，如绝缘态、磁态和超导态，这些状态都是电子之间复杂相互作用所形成的。
在MATBG中，电子如何形成绝缘态以及为什么形成绝缘态一直是这个领域中未解决的关键难题之一。解决这个难题不仅将深化我们对绝缘体和近距离超导体的理解，还将有助于理解许多科学家正在努力了解的许多不寻常的超导体的行为，包括高温杯卤酸盐超导体。
该论文的共同第一作者Kevin Nuckolls是普林斯顿大学物理系2023年的博士毕业生，现在是麻省理工学院的博士后。他说：“MATBG在一个材料平台上展示了很多有趣的物理现象，其中很多尚未被理解。这种绝缘相，在这种相中电子完全无法流动，一直是一个真正的谜团。”
理解MATBG的特性
为了创造所需的量子效应，科学家将两片石墨烯叠加在一起，并使顶层略微倾斜。这种不对称的位置会产生一种称为莫尔纹样的图案，该图案与法国的常见织物设计相似并以其命名。然而，至关重要的是，顶层石墨烯必须以1.1度的角度放置。这就是产生量子效应的“魔法”角度，也就是说，这个角度诱发了石墨烯片中电子之间的奇怪而强烈相关的相互作用。
尽管物理学家已经能够在这种材料中展示出不同的量子相，如零电阻超导相和绝缘相，但至今对这些相在MATBG中发生的原因所知甚少。实际上，以往涉及MATBG的所有实验都很好地展示了该系统能够产生的内容，但却没有解释为何该系统会产生这些状态。
这个“为什么”成为了这个实验的基础。
Nuckolls说：“这个实验的基本思路是，我们想要探究这些量子相的起源，真正理解在石墨烯的原子尺度上电子到底在做什么。能够通过显微镜来探测材料的微观特征，拍摄其相关状态的图像，有效地对这些相的微观起源进行清晰而精确的描绘，这使我们能够指导理论家寻找未被预测的相。”
先进的研究技术
这项研究发表在《自然》杂志8月16日的一期中，是普林斯顿大学和加州大学伯克利分校的一个团队两年工作的结晶。科学家们利用了扫描隧道显微镜（STM）的能力来探测这个非常微小的领域。这个工具依赖于一种被称为“量子隧穿”的技术，电子在显微镜的尖锐金属探针和样品之间被输送。显微镜使用这种隧穿电流而不是光来观察电子在原子尺度上的世界。这些量子隧穿事件的测量结果被转化为材料的高分辨率、高灵敏度的图像。
然而，这个实验的第一步，也是最关键的一步，是制备研究人员所称的“纯净”样品。构成扭转双层石墨烯样品的碳原子表面不能有任何缺陷或瑕疵。
普林斯顿大学物理学教授和复杂材料中心主任Ali Yazdani说：“使这篇论文成为可能的技术突破在于我们小组在样品的纯净度方面所取得的能力，使得我们能够拍摄到这篇论文中看到的这些高分辨率图像。换句话说，您必须制造出具有十万个原子而没有任何缺陷或混乱的样品。”
实际的实验过程包括将石墨烯片放置在正确的“魔法角度”，即1.1度的角度上。然后，研究人员将STM的尖锐金属探针放置在石墨烯样品上方，并在移动探针时测量量子机械隧穿电流。
普林斯顿大学物理系研究生Ryan Lee是这篇论文的联合主要作者之一。他说：“在这个量子尺度上，电子不仅是粒子，还是波动的。基本上，我们正在观察电子的波动模式，它们之间的干涉方式确切地告诉我们关于引起基础电子状态的具体信息。”
解读量子难题
这些信息使研究人员能够对扭转双层石墨烯产生的量子相做出一些非常深入的解释。重要的是，研究人员利用这些信息聚焦并解决了多年来一直困扰着该领域研究人员的难题，即当石墨烯调整到其魔法角度时会出现的量子绝缘态。
为了从理论角度帮助理解，普林斯顿的研究人员与加州大学伯克利分校的一个小组合作，该小组由普林斯顿大学的物理学家B. Andrei Bernevig和伯克利的Michael Zaletel领导。该小组开发了一种称为“局部序参量”分析的新颖理论框架，以解释STM图像并理解在绝缘相中电子的行为，换句话说，它们是如何相互作用的。他们发现，绝缘态发生是由于电子之间的强烈排斥作用，在微观层面上发生。
在扭转双层石墨烯中，这个挑战在于模拟这个系统。有许多竞争的理论，没有人知道哪个是正确的。我们的‘指纹’实验非常关键，因为这样我们可以确定导致绝缘态的实际电子相互作用。
