研究背景
平带莫尔石墨烯体系（Moiré graphene systems）因其能够提供强关联物质相与高实验可调性的特点，成为了研究量子材料和相互作用机制的重要平台。这些材料为探索相互作用量子材料的机制和起源提供了可控的窗口，尤其在电子、光学及超导等领域展现了广泛的应用潜力。与传统的石墨烯材料相比，莫尔石墨烯体系具有平带结构，在特定的扭曲角度下形成平坦的能带，从而引发强关联现象，如非常规超导性和关联绝缘性。然而，尽管在理论和实验研究中取得了许多进展，莫尔石墨烯体系仍存在许多未解之谜，尤其是在电荷中性点（CNP）处的基态识别上。如何区分不同的相，特别是在 CNP 处的相，是当前研究中的一大挑战。
研究内容
有鉴于此，以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）Matan Bocarsly, Indranil Roy, Vishal Bhardwaj，Eli Zeldov等在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Coulomb interactions and migrating Dirac cones imaged by local quantum oscillations in twisted graphene”的论文。该团队通过设计和制备交替扭转三层石墨烯（tTLG），实现了对平带体系中库仑相互作用及其对称性破缺的深度探测。利用低场局部量子振荡技术，该团队成功地探测到了 tTLG 中的量子振荡现象，揭示了由于库仑相互作用导致的能带重整化及对称性破缺的细节。在半填充导带平带时，团队观察到自发的味道对称性破缺，表明该相是由 Stoner 极化机制驱动的对称性破缺相，是 MATBG 体系中广泛存在的关联绝缘态的母相。此外，研究还发现，在 CNP 附近，系统进入了一种由交换相互作用驱动的向列半金属（NSM）基态，且这一相自发打破了三重旋转对称性。研究表明，即便是少量的异质应变也能够使这一向列半金属相在能量上占据优势，为解释 MATBG 系统中 CNP 处无法观察到能隙的长期谜题提供了重要的实验依据。
该研究显著提高了对平带莫尔石墨烯体系中关联物理的理解，特别是在电荷中性点附近的基态探索方面，突破了传统输运测量方法的局限性，为未来研究更多强关联范德华体系的基态性质提供了新的实验手段和理论依据。
图文导读
1.实验首次通过局部热力学 de Haas–van Alphen 量子振荡（QOs）技术探测了交替扭转三层石墨烯（tTLG）中的能带结构，获得了狄拉克部分的量子振荡数据，成功探测到低至 56 mT 的磁场下的量子效应。
2.实验通过扫描超导量子干涉装置（SOT）成像，并结合自洽 Hartree 计算，发现了由库仑排斥作用引起的平带色散重整化，证实了库仑相互作用在平带物理中的重要作用。
3.在导带平带半填充时，观察到自发的味道对称性破缺，进一步推测了 Stoner 极化的对称性破缺相是 MATBG 中普遍存在的关联绝缘态的母相。
4.在电荷中性点（CNP）附近，发现该基态为交换相互作用驱动的向列半金属（NSM），并自发打破 C3 对称性。这一发现为理解 MATBG 中 CNP 处的无能隙状态提供了新的理论依据。
5.通过实验数据，进一步验证了异质应变对这一半金属相的能量稳定性影响，表明异质应变可以使该相在能量上变得更加有利。
6.本研究为探索强关联范德华体系的基态提供了新的实验手段，并为解决电荷中性点处相变的长期难题提供了宝贵的实验证据。
图 1| 交替转角石墨烯alternating-twist trilayer graphene，tTLG中的传输测量。
图 2| 狄拉克Dirac 朗道能级Landau levels，LLS和Hartree相互作用成像。
图 3| ν=2时的对称破缺。
图 4| 位移场相关性和Hartree–Fock，HF计算。
结论展望
本文的研究提供了关于强关联体系基态的新见解，特别是通过低磁场热力学量子振荡技术揭示了CNP处无能隙的向列半金属（NSM）相的存在。这一发现表明，异质应变对NSM态的稳定性具有重要作用，尤其在石墨烯扭曲体系中，微小的应变变化可能导致从其他有能隙相到NSM态的转变。此外，研究还表明，斯通纳极化态是相关绝缘态出现的母态，揭示了斯通纳转变在不同填充情况下的普适性。通过热力学QOs，本文有效地区分了高掺杂与低掺杂下的相互作用效应，为研究复杂相互作用的系统提供了强有力的实验工具。该技术不仅能深入理解石墨烯等体系的多体相互作用，也为其他没有Dirac锥的范德华材料体系的研究提供了新的思路。未来，研究人员可以通过引入大角度扭曲的单层石墨烯，进一步探索不同范德华体系中的电子关联效应，推动新型量子材料的开发与应用。
来源：低维材料前沿
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