卡弯扭曲测试仪

【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：&bull 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。&bull 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。&bull 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。&bull 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。&bull 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

【科学背景】扭曲van der Waals（vdW）磁体如氟化铬CrI3最近成为研究的焦点，其展示了通过局部堆叠顺序控制自旋自由度的潜力。与扭曲量子电子材料不同，扭曲磁体依赖于调控的磁性相互作用来实现非常规磁性序和自旋激发。然而，尽管已有研究集中在探索扭曲CrI3的基态磁性序，但对于单个莫尔超晶胞内和跨越超晶胞的局部磁性相互作用、自旋动态和磁性相变的全面理解仍然有所欠缺。针对这一挑战，密歇根大学安娜堡分校物理系Liuyan Zhao教授以及美国加利福尼亚大学圣迭戈分校物理系Chunhui Rita Du教授合作提出了利用扫描单自旋磁探测技术来解决这些问题。他们利用这一平台观测了小角度扭曲双三层CrI3中莫尔磁性的静态磁化和动态自旋涨落，跨越了二阶磁性相变点。研究结果显示，在这种结构中，单个莫尔超晶胞内的铁磁区域表现出明显高于反铁磁区域的居里温度，这是由于堆叠顺序调制的层间交换耦合在空间和热力学上引起的相分离效应所致。这一发现为理解扭曲CrI3中复杂的磁性现象提供了新的见解，并突显了扭曲工程作为调节磁性响应的有效工具，可能推动二维电子应用领域的新发展。【科学亮点】（1）实验首次利用扫描单自旋磁探测技术，观测了扭曲双三层CrI3中莫尔磁性的静态磁化和动态自旋涨落。（2）实验通过测量温度依赖的自旋涨落，揭示了在小角度扭曲的双三层CrI3中存在两个明显的磁性相变，分别对应具有分离临界温度的铁磁态和反铁磁态。具体结果如下：&bull 使用扫描单自旋磁探测平台，首次观察到小扭角双三层CrI3中单个莫尔超晶胞内铁磁区域的高居里温度，达到约58K，比相应反铁磁区域的48K高出约10K。&bull 通过平均场理论模型解释，发现这种空间和热力学相分离归因于扭曲界面上的堆叠工程交换耦合。&bull 在中间温度区域（48K至58K），观察到纳米尺度的共存顺磁-铁磁相，这种现象在大扭角扭曲情况下不存在。【科学图文】图1：tDT CrI3的莫尔超晶格。图2：对小扭角tDT CrI3进行扫描单自旋磁探测测量。图3：对0.15°小扭角tDT CrI3进行NV自旋弛豫测量的自旋涨落。图4：在小扭角tDT CrI3中形成的铁磁域的居里温度增加。图5：在小扭角tDT CrI3中形成的铁磁域的居里温度增加。【科学启迪】以上研究不仅深化了对扭曲vdW磁体中莫尔磁性的理解，还揭示了通过扭曲工程调控局部磁性响应的新途径。实验首次利用高分辨率的扫描单自旋磁探测技术，准确测量了小角度扭曲双三层CrI3中的磁性相变和自旋动态，发现了具有分离临界温度的铁磁和反铁磁相。这些发现不仅在理论上得到了平均场模型的验证，还突显了莫尔超晶格内部的空间和热力学相分离机制，由扭曲界面上的堆叠工程调控引起。这一成果不仅有助于深入理解扭曲vdW磁体中的非常规磁性序和自旋激发，还为开发新型二维磁性材料提供了实验和理论基础。通过量子计量工具的应用，我们不仅揭示了莫尔磁性中的奇异自旋相关现象，还为探索和设计相关磁性量子物态开辟了新的前景。这些发现不仅推动了基础研究的边界，也潜在地为下一代磁性和自旋电子器件的发展提供了新的理论和技术支持。原文详情：Li, S., Sun, Z., McLaughlin, N.J. et al. Observation of stacking engineered magnetic phase transitions within moiré supercells of twisted van der Waals magnets. Nat Commun 15, 5712 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49942-2

p style=" text-indent: 2em " 科学精神名家谈 /p p style=" text-indent: 2em " 科学精神最基本的特质无非是实事求是、追求真理、理性、质疑。在清华大学科学技术与社会研究所教授刘兵看来，官本位，无论从哪个层面来讲，都是与科学精神背道而驰的。 /p p style=" text-indent: 2em " 刘兵表示，科学的进步和创新需要怀疑精神，而在官本位思想主导下，往往是下级服从上级，似乎人的职务越高，说话的真理性就越强，这与科学精神本质是矛盾的。 /p p style=" text-indent: 2em " “学而优则仕”现象突出 /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 您如何看待中国科技界的官本位现象？ /span /p p style=" text-indent: 2em " 刘兵：官本位，通俗来讲，是一种以官位高低作为评判人的价值尺度或以追求官位作为人生最高目标的心理意识。 /p p style=" text-indent: 2em " 在我国科研界，官本位现象确实存在，而且近些年有加重的趋势。究其原因，“学而优则仕”在中国影响很大，在研究所和大学，青年研究人员都想当所长、校长，在创造力最旺盛的时候，却去做了行政工作，这是一种人才浪费。当前，官本位、行政化超过二十世纪五六十年代，它比科研经费不足、创新力不足等问题的杀伤力还大。 /p p style=" text-indent: 2em " 对官位的追求和盲从，会对科研工作产生哪些具体影响？ /p p style=" text-indent: 2em " 刘兵：科学的本质是追求真理和实事求是，是什么就是什么，而不是别人怎么说就跟着怎么说，官本位则强调对官位的追求和职位的盲从，这本身就是对科学精神的扭曲。 /p p style=" text-indent: 2em " 具体来讲，当前的科学研究，如果没有项目、资金的资助是很难顺利进行的，官本位的介入，会导致资源分配的不公，让没有处在领导位置的科学工作者处于不利的地位，不能真正独立地领导科学研究，甚至申请不到相应的项目，得不到资助。某种程度上讲，这不利于科研成果的产出。 /p p style=" text-indent: 2em " 此外，伟大的思想无不来源于自由的探索，官本位意味着管理者有更多干涉、管理的权力，这无疑会影响人们的自由探索。 /p p style=" text-indent: 2em " 严重影响科研评价 /p p style=" text-indent: 2em " 科研评价中官本位问题是否同样突出？ /p p style=" text-indent: 2em " 刘兵：1941年，竺可桢曾发表文章，将科学精神概括为“不盲从、不附和，依理智为归。”1942年，美国科学社会学家罗伯特· 默顿将科学精神具体化为四种规范，即普遍性、公有性、无私利性和有条理的怀疑性。 /p p style=" text-indent: 2em " 传统来讲，很多人把科学精神与早期科学社会学派中的精神气质联系在一起，如普遍主义。以科研评价为例，普遍主义认为操作时只看科学成果本身，与研究者本身的社会属性，如宗教、地位等无关，现实中，官本位主导下的评价体制显然不是这样。 /p p style=" text-indent: 2em " 传统科学规范中，科学研究强调无私利性，而官本位给研究者带来了很多其他利益，这与科学精神中对科研的追求也是矛盾的。人们从事科研，以发现科学真理，探究未知为最基本目标，而官本位思想下，因为科研做得好，可以升官，升官又带来很多额外的好处，这样人们做科学的动机就变得很不纯粹，成为私利化的追求。 /p