天才少年曹原，再添一篇Nature

【背景介绍】

在具有平坦电子带的凝聚态系统中，电子间的库仑相互作用很容易超过它们的动能，从而产生各种奇异的量子相，例如Mott绝缘体和Wigner晶体等。在这种状态下，电子可能会自发地自排序，以使总库仑能最小化，但是会增加它们的动能而导致某些对称性的破坏。这种破碎的对称状态可在相对较高的能量范围内发生，并且作为较低能量范围内出现的相（如超导等）的母态。此外，当系统中存在非平凡的拓扑结构时，强关联和潜在拓扑结构之间的相互作用可能导致物质出现新相。理解其内在的物理机制，可以指导设计下一代强关联性拓扑量子材料。众所周知，魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）是一种研究高度可调的平带系统中相互作用驱动现象的独特平台。当两层单层石墨烯（MLG）以θ=1.1^o的小扭曲角堆叠时，moiré超晶格中的层间杂化使Fermi速度重新标准化，并在低能下产生平坦带。在这种情况下，超导电性和量子反常霍尔效应等大量的奇异关联性和拓扑现象被实验证实。同时，扫描隧道和单电子晶体管实验直接证明了库仑诱导的相变破坏自旋/谷对称性的重要性。虽然在实验和理论上取得实质性的进展，但是破坏对称态的微观图像及其与相关相和超导电性的可能联系还需要进一步的研究。

【成果简介】

近日，美国麻省理工学院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero和曹原（共同通讯作者）等人报道了他们通过同时进行热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的破碎对称多体基态及其非平凡的拓扑结构。作者直接观察到偏爱对称性破裂是moiré超晶格所有整数中化学势的钉扎效应，表明了在多体基态中偏爱Hund耦合的重要性。在打破时间反转对称性后，基本平坦带的拓扑性质就表现出来，因此作者测量了在填充因子分别为1、2、3时Chern数分别为3、2、1的Chern绝缘子状态相对应的能隙，打破了MATBG的Hofstadter蝴蝶光谱。此外，作者还同时测量电阻率和化学势可提供奇异金属状态下MATBG随温度变化的电荷扩散性，而之前的报道仅在超冷原子中探索了该量。该研究工作使我们更接近于一个无框架的框架，而该框架可以理解有无磁场的MATBG拓扑带中的相互作用。研究成果以题为“Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene”发布在国际著名期刊Nature上。

【图文解读】

图一、器件结构和化学势测量演示
（a）测量技术示意图;

（b）异质结构的能带图，显示MATBG（μ_MATBG）和MLG（μ_MLG）的化学势、背栅电压V_bg和顶栅电压V_tg与静电势降V₀、V₁和V₂间的关系；

（c）MLG的传输特性，显示一个相对于MLG载流子密度n_MLG的尖锐电阻峰，半峰全宽小于3×10⁹ cm^-2；

（d）MATBG的运输特征；

（e-f）MLG和MATBG电阻的组合图，由紫色和橙色色标表示，并覆盖在相同的轴上。

图二、MATBG的化学势与温度和面内磁场的关系
（a）使用MLG的CNP感应MATBG的化学势；

（b）评估具有各种库仑排斥能U和交换能J的化学势的平均场，以单粒子带宽W=1为单位；

（c）在ν=1时，相互作用驱动的化学势稳定的图解；

（d）利用MLG CNP探测到的MATBG从T=2 K到T=70 K的化学势的温度依赖性；

（e）在N=1 MLG Landau能级下，在T=4 K和B_⊥=0.7 T时MATBG的化学势与平面磁场B′的关系；

（f）放大后的化学势和传输阻力放大以进行比较，其中ν=+1、+2。

图三、在垂直磁场中探测MATBG的相关Chern带隙
（a-b）MATBG中在0-6 T范围内的化学势相对于ν的实验和模拟；

（c）扭曲双层石墨烯（TBG）的Hofstadter蝴蝶光谱，每单位晶胞的通量为ϕ₀/2；

（d）利用通量为ϕ₀/6的库仑排斥和交换相互作用的均场模型计算的TBG的总Chern数。

图四、奇异金属状态下MATBG的电阻率、电子压缩率和扩散率
（a-b）MATBG相对于ν和T的电阻率和反电子压缩率χ^-1=dμ/dn；

（c）在相关状态周围的一系列密度范围内的电阻率-温度线性行为，而斜率对ν的依赖性很小；

（d）χ^-1的线切割对T的依赖性不大；

（e）有效扩散率D*=χ^-1/[e²(ρ-ρ₀)]，其中ρ₀是通过拟合T线性范围并外推到T=0获得；

（f）1/D*显示线性趋势是T的函数。

文献链接：Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene. Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03366-w.

本文由CQR编译。

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