仪器情报，科学家首次在扭曲双层石墨烯中取得新发现！

【科学背景】

相关绝缘态是指在周期性超晶格、磁场和各种相互作用的调控下，电子表现出的凝聚态行为。尽管在moire过渡金属二硫化物中已观察到分数值的相关绝缘态，但在扭曲双层石墨烯系统中，特别是在具有三角moire格子的情况下，对几何烦躁效应对电子行为的影响尚未深入研究。此外，如何在实空间建立模型以理解这些复杂现象也是一个未解决的挑战。

为了解决这些问题，美国俄亥俄州立大Chun Ning Lau教授团队们进行了广泛的实验和理论研究。他们在不同的扭曲角度下研究了tBLG系统中的相关绝缘态，并发现在大于魔角的扭转角度范围内观察到了强壮的零切尔尼分数相关绝缘态。通过磁场和温度依赖的实验，他们验证了这些态的存在和稳定性。

本研究通过建立基于Wannier轨道形状和库仑相互作用的实空间模型，成功解释了这些分数填充下的电子相态。研究表明，Wannier轨道的三叶形状和在不同扭转角度下的几何烦躁效应是导致这些态的关键因素。此外，通过调节掺杂和扭转角度，科学家们展示了可以调控这些态的性质和相变过程。

【科学亮点】

（1）实验首次观察到在大角度扭曲双层石墨烯（tBLG）中，在1/3填充数下存在高强度的零切尔尼分数相关绝缘态。

（2）实验通过分析大于魔角扭转角度的tBLG样品，发现这些零切尔尼分数态在垂直和平行磁场中仍然稳定存在。具体结果如下：

• 首次观察到在tBLG中的1/3填充下，存在零切尔尼分数相关绝缘态，这些态显著超过了整数填充的态。

• 实验结果表明，在较小扭转角度的设备中，观察到了符合预测的砖墙电荷有序态。

• 在施加平行磁场时，观察到分数填充为 ±8/3 的状态表现出铁磁序，而 ±4/3 的状态表现出反铁磁序，并在有限磁场下观察到向自旋对齐态的转变。

• 在具有更大扭转角度和较强次最近邻相互作用的设备中，观察到了三倍的单元胞重构，与理论预测的armchair相一致。

• 这些分数态的产生源于Wannier轨道形状和由库仑相互作用引起的几何烦躁，其相通过掺杂和扭转角度可调节。

【科学图文】

图1： 器件D1的温度相关数据，θ=1.32°。

图2：实空间模型。

图3：在T=300mK时，器件D1的磁输运。

图4：在T=1.5K时，器件D2的磁输运。

【科学结论】

本文深入探索了大角度扭曲双层石墨烯（tBLG）中的零切尔尼分数相关绝缘态。通过观察和理论模型的结合，揭示了Wannier轨道的特殊几何形状如何与库仑相互作用相结合，导致了这些新型电荷有序态的出现。这种研究不仅拓展了我们对二维材料中几何烦躁效应的理解，还为探索和设计新型量子材料提供了重要思路。

从实验角度来看，本研究首次在大于常规魔角的扭转角度下观察到这些分数填充态的显著存在，这为探索不同扭转角度下tBLG的电子结构和相变提供了新的视角。同时，通过施加磁场的实验设计，揭示了这些分数态的磁序行为，为理解其物理本质提供了关键线索。

从理论角度来看，本文采用了基于轨道几何烦躁的模型，成功解释了实验观察到的各种现象。这种实空间模型的应用不仅有助于理解和预测tBLG中复杂相互作用的影响，还为未来设计具有特定电子性质的新型二维材料提供了有力的理论指导。总之，本文不仅深化了对tBLG电子结构中几何烦躁效应的理解，还展示了通过调控几何形状和外加场效应来实现对电子态的精细控制的潜力。

原文详情：Tian, H., Codecido, E., Mao, D. et al. Dominant 1/3-filling correlated insulator states and orbital geometric frustration in twisted bilayer graphene. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02546-5