普林斯顿大学领导的一个科学家团队已经对一种被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的精确微观基础进行了成像。这种非凡的材料，由以二维六角形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。
这是第一次，研究人员能够专门捕捉到产生MATBG绝缘量子相的相互作用电子微观行为的前所未有的精确可视化。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。
2018年，麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和他的团队首次发现了扭曲双层石墨烯的惊人特性。他们证明，这种材料可以是超导的，在这种状态下，电子可以自由流动，没有任何阻力。这种状态对我们的许多日常电子产品至关重要，包括核磁共振成像和粒子加速器的磁铁，以及用于制造量子计算机的量子比特(称为量子位)。
自这一发现以来，扭曲双层石墨烯已经展示了许多新的量子物理状态，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。
这个谜题的答案不仅将解开我们对绝缘体和近似超导体的理解，而且还将解开科学家试图理解的许多不同寻常的超导体的共同行为，包括高温铜超导体。
“MATBG在单一材料平台上展示了许多有趣的物理现象——其中很多还有待理解，”论文的联合主要作者凯文·努科尔斯(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。“这个绝缘阶段，电子完全被阻止流动，一直是一个真正的谜。”
为了创造理想的量子效应，研究人员将两层石墨烯相互叠加，顶层的石墨烯略微倾斜。这种不平衡的位置创造了一种moir
虽然物理学家已经能够在这种材料中展示不同的量子相，例如零电阻超导相和绝缘相，但对于为什么这些相发生在MATBG中却知之甚少。事实上，所有先前涉及MATBG的实验都很好地证明了系统能够产生什么，但没有说明系统为什么会产生这些状态。
这个“为什么”成为了当前实验的基础。
Nuckolls说:“这个实验的总体思路是，我们想要问关于这些量子相起源的问题，以真正了解电子在石墨烯原子尺度上的确切行为。”“能够在微观上探测材料，并拍摄其相关状态的图像-有效地识别它们-使我们能够非常清楚和精确地辨别这些阶段的微观起源。我们的实验还有助于指导理论家寻找未预测到的阶段。”
这项研究是由普林斯顿大学和加州大学伯克利分校的一个研究小组历时两年完成的。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。这种工具依赖于一种叫做“量子隧道”的技术，在这种技术中，电子在显微镜的尖锐金属尖端和样品之间形成漏斗状。这种显微镜利用这种隧穿电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。这些量子隧穿事件的测量结果随后被转换成高分辨率、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的一步——是创造出研究人员所说的“原始”样本。碳原子的表面所制备的扭曲双层石墨烯样品必须没有缺陷或缺陷。
普林斯顿大学(Princeton University) 1909届物理学教授、复杂材料中心主任阿里·亚兹达尼(Ali Yazdani)说:“使这篇论文得以发表的技术突破在于，我们的团队有能力使样本变得如此纯净，以至于你在论文中看到的这些高分辨率图像成为可能。”“换句话说，你必须制造出10万个没有任何缺陷或混乱的原子。”
实际的实验包括将石墨烯片放置在正确的“魔角”上，即1.1度。然后，研究人员将STM尖锐的金属尖端放置在石墨烯样品上，并测量了尖端在样品上移动时的量子力学隧穿电流。
“在这个量子尺度上，电子不仅是粒子，而且还是波，”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，我们正在对电子的波状模式进行成像，它们相互干扰的确切方式告诉我们一些非常具体的信息，关于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双层石墨烯产生的量子相做出一些非常深刻的解释。重要的是，研究人员利用这些信息来关注并解决多年来一直困扰该领域研究人员的难题，即当石墨烯调整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，该团队由普林斯顿大学的物理学家B. Andrei Bernevig和伯克利大学的Michael Zaletel领导。该团队开发了一种新颖而创新的理论框架，称为“局部顺序参数”分析，以解释STM图像并了解电子在绝缘阶段的行为-换句话说，它们是如何相互作用的。他们发现，在微观层面上，绝缘状态的发生是由于电子之间的强烈排斥。
“在神奇角度扭曲的双层石墨烯中，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。“有很多相互竞争的理论，没有人知道哪一个是正确的。我们的‘指纹’实验非常重要，因为这样我们就可以确定产生绝缘阶段的实际电子相互作用。”
通过使用这个理论框架，研究人员第一次能够对观察到的电子波函数进行测量。Yazdani说:“这个实验引入了一种分析量子显微镜的新方法。”
研究人员认为，这项技术——包括图像和理论框架——可以在未来用于分析和理解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。
Yazdani说:“我们的实验是一个很好的例子，说明大自然母亲可以如此复杂，可以非常令人困惑，直到你有了正确的框架来看待它，然后你说，‘哦，这就是正在发生的事情。’”
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