在过去几年中，全球越来越多的研究人员一直在研究所谓的扭曲范德华 (vdW) 材料的特性和特征。这种独特的材料可能是一个理想的平台，可以检查由于电子之间的强相互作用而发生的相关相。

华盛顿大学和国家材料科学研究所的研究人员最近进行了一项研究，专门探索可能发生在扭曲的 vdW 异质结构中的相关绝缘状态，并且可以通过改变扭曲角和施加外部电场来调整这种状态。在他们发表在《自然物理学》上的论文中，他们展示了扭曲双双层石墨烯的电输运测量，从中他们能够检查自发对称性破坏在材料相图中的作用。

凝聚态物理学家已经知道如何使用透明胶带剥离程序分离单层材料(例如石墨烯)超过 15 年。他们现在还知道如何单独拾取薄原子片并将它们组装在一起。如果将它们旋转一个小的扭曲角，就会出现称为摩尔纹的几何干涉图案。这种模式可以强烈地改变复合结构的电子特性。

华盛顿大学物理与材料科学与工程助理教授马修·扬科维茨 (Matthew Yankowitz) 表示：“在某些情况下，莫尔条纹会产生壮观的新电子态，这些态是由材料中电子之间的强相互作用驱动的。”这项研究告诉 Phys.org。“这是麻省理工学院的研究人员于 2018 年首次发现的，他们在堆叠两个扭曲 1.1° 的单层石墨烯片(即魔角扭曲双层石墨烯)时观察到了超导性和相关绝缘状态。这些相关状态特别令人兴奋，因为它们位于一种完全由碳原子组成的化学计量简单结构，可以使用许多实验旋钮(如电荷掺杂、扭曲角和压力)进行动态调整。”

之前在块状晶体中也观察到了类似的相关状态，但在这些材料中，由于晶体的复杂结构，它们更难以调整和理论建模。因此，理解这些强相关状态仍然是凝聚态物理学中的一个关键挑战。

Yankowitz 和他的同事最近的工作目标是深入了解 vdW 异质结构中的这些相关状态如何用于研究和技术开发。在它们首次在魔角扭曲双层石墨烯中被发现后不久，世界各地的研究团队意识到，这些状态也可以在包含两个扭曲的双层石墨烯片(即总共四个石墨烯层)的异质结构中找到。

制，”Yankowitz 解释说。“然而，这些状态的确切性质仍然有些神秘。特别是，有些特征类似于一种奇异的超导形式，然而，这些特征的确切起源尚不清楚。我们研究的主要动机是解决这些问题通过研究具有电可调性的扭曲双双层石墨烯。”

作为研究的一部分，扬科维茨和他的同事测量了作为温度和磁场函数的电传输。当存在小磁场时，横向于所施加电流的电阻符号(称为霍尔电阻)表示哪种类型的亚原子粒子(即电子或“空穴”)是材料内部的主要电荷载流子。

当相关状态在低温下自发打破扭曲双双层石墨烯中的对称性(即电子自旋或谷对称)时，材料的电子结构会迅速变化，其主要电荷载流子也会发生变化。因此，同时测量材料的电阻率和霍尔效应可以提供有关其中相关状态的宝贵见解。

“通过仔细测量作为温度函数的扭曲双双层石墨烯的电阻率和霍尔效应，我们发现突然的电阻率下降，让人想起超导性，也与其霍尔电阻的同时符号变化有关，”Xiaodong Xu 说，华盛顿大学物理与材料科学与工程教授。“与超导性相比，由于自发对称性破坏，这一观察结果与磁有序的开始更一致。”

有趣的是，Yankowitz、Xu 和他们的同事在扭曲双双层石墨烯中观察到的电阻率下降作为对称破坏状态边界处温度的函数发生了最剧烈的变化。作为研究的一部分，研究人员还研究了传输与施加的电流引起的偏差的函数关系。

当他们向材料施加电流时，他们观察到与非线性传输相关的特征。尽管在超导状态中也观察到非线性传输，但他们发现在他们的样本中，这很可能是焦耳加热机制的结果。

“我们的工作提供了对与扭曲双双层石墨烯中相关状态相关的先前神秘特征的重要新理解，”Yankowitz 说。“虽然我们不能直接排除超导性，但我们的结果表明，由自发对称性破坏驱动的磁性是扭曲双双层石墨烯中相关金属态的合理候选者。”

近年来，在各种莫尔 vdW 异质结构中观察到了类似于该研究小组所研究的类似超导性的特征。他们提出的新发现可能有助于将这些状态与过去研究在魔角扭曲双层石墨烯中揭示的超导性区分开来。

此外，Yankowitz、Xu 和他们的同事收集的观察结果可以帮助从理论角度更好地理解莫尔 vdW 异质结构中相关状态的性质，迄今为止证明这是非常具有挑战性的。研究人员计划利用他们获得的洞察力开发更直接的探针来理解这些状态。

“由于我们的结果表明相关金属态是磁性有序的，我们希望使用电传输和光谱学的组合观察这种磁性的直接特征，”扬科维茨说。“我们也在研究控制这些相关状态的新方法，例如通过施加高压来修改材料的层间耦合和晶体结构。最后，理论预测这种材料可能具有拓扑状态，如量子反常霍尔效应，所以我们现在正在寻找暴露和探测这种非平凡拓扑的方法。”