Nature连发两篇，菱形三层石墨烯迎来爆发？

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见 闵青云 选编

石墨烯，相信大家早已不陌生了。

首先，发现的过程就很奇特——「撕胶带」；扬名立万的速度堪称「火箭速度」，从发现到获诺贝尔奖，不过短短几年；中间沉寂了一段日子，但它已被科研界「玩出新花样」，各种石墨烯加，似乎无所无能。
的确，它确实也是无所不能；直到后来，出现了一个名叫「曹原」的天才少年，开创性地提出了「魔角扭曲石墨烯」，让石墨烯焕发新生。从此，「魔角扭曲石墨烯」开始粉墨登场，石墨烯又再次回到人们谈论的热点中……似乎，石墨烯是一个无穷的宝藏，还有很多很多的「宝物」等待挖掘，就看大家怎样挖了？

这不，新一期的《Nature》又出现了有关石墨烯「背靠背」的文章，让我们一起去一探究竟吧。
在一个干净的二维装置中，通过电场效应获得超导性，是纳米电子学的中心目标。最近，石墨烯moiré异质结构已经实现了超导性，然而，这些结构中的许多都不是力学稳定的，实验显示了强无序的特征。
在此，来自加州大学圣芭芭拉分校的Andrea F. Young等研究者，报道了在晶体菱形三层石墨烯(一种结构上亚稳态的碳同素异形体)中，在亚开尔文温度下表现为低电阻率或消失电阻率的超导观察。相关论文以题为「Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene」于2021年09月01日发表在Nature上。
在此，超导发生在两个不同的门调谐区(SC1和SC2)，并且深度在由平均自由路径和超导相干长度的比值定义的干净极限。量子振荡对常态费米表面的映射表明，这两种超导体都是从环形费米海中出现的，并且是近载流子密度到同位旋对称破坏跃迁的，在此过程中，费米表面简并发生了变化。
SC1从顺磁正态出现，而SC2从自旋极化、非谷极化的半金属出现，并至少违反了面内磁场的泡利极限一个数量级。对此，研究者讨论了一些机制，包括传统的声子介质对，由于近同位旋阶的波动而形成的配对，以及环形费米液体的固有不稳定性。
研究者在一个干净且结构简单的二维金属中观察到的超导性，提供了一个模型系统来测试竞争的超导理论模型，而没有建模混乱的复杂性，同时，使基于相关电子现象和弹道电子输运的新型场效应控制电子器件成为可能。
图1| 菱形三层石墨烯(RTG)的超导性
图2| SC1费米面学
图3| SC1的磁场依赖性
图4| SC2的B‖-依赖性和费米面学
无独有偶，同一作者还「背靠背」发表了另一篇文章。
铁磁性，是过渡金属化合物最常见的性质，其中电子占据高度局域d轨道。然而，在低密度的二维电子系统中，也可能出现铁磁有序。
在此，来自加州大学圣芭芭拉分校的Andrea F. Young等研究者，证明了菱形三层石墨烯中的门调谐van Hove奇点，驱动电子系统的自发铁磁极化成为一种或多种自旋和谷型。
相关论文以题为「Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene」于2021年09月01日发表在Nature上。

在此，利用电容和输运测量，研究者观察到相之间的密度和电子位移场调谐跃迁级联，其中量子振荡有四次、两次或一次简并，与自旋和谷简并的正常金属、自旋极化的「半金属」、以及自旋极化和谷极化的「四分之一金属」。
对于电子掺杂，唯象的Stoner模型很好地捕捉了数据的显著特征，包括山谷各向异性相互作用。对于空穴填充，研究者观察到一个更丰富的相图，在费米表面拓扑中具有破缺对称和跃迁的微妙相互作用。最后，研究者介绍了moiré超晶格使用旋转排列的六方氮化硼衬底。
值得注意的是，当半或四分之一的超晶格带填充出现流动的半或四分之一的金属态时，研究者发现同位旋序仅被弱扰动，同时，moiré电位催化拓扑上非平凡的隙态的形成。结果表明，菱形石墨烯是一个理想的平台，控制良好的多体理论测试，并揭示了moiré材料的磁性在本质上是流动的。
图1| 菱形三层石墨烯的自发对称破缺
图2|  在导带中的Stoner铁磁性
图3| 价带中的铁磁性和费米表面拓扑
图4| moiré超晶格势的效应

综上，这两篇「背靠背」的文章，全都是以菱形三层石墨烯为平台的，可见「石墨烯」这个宝藏确实蕴藏丰富，有待人们更多的挖掘和探索。

与此同时，我们可以发现这两篇文章的第一作者「Haoxin Zhou」都是排在第一位的，可谓是「英雄出少年」，前有「曹原」，后有「Haoxin Zhou」。此外，我们可以看出这两篇文章的含金量，这两篇文章从「Received」到「Accepted」前后最多没超过两个月；并且最终都直接以「手稿」形式发布的，重要性可见一斑。

参考文献：

Zhou, H., Xie, T., Taniguchi, T. et al. Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03926-0

Zhou, H., Xie, T., Ghazaryan, A. et al. Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03938-w

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03926-0#citeas

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03938-w#citeas

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