研究背景
平帶莫爾石墨烯體系是研究關聯物質相的重要平臺。盡管已有多種由相互作用驅動的基態被提出，并且實驗研究廣泛開展，但在區分不同相，特別是在電荷中性點附近的相方面，仍缺乏直接證據。有鑒于此，魏茨曼科學研究所Matan Bocarsly, Indranil Roy, Vishal Bhardwaj，Eli Zeldov等在“Nature Physics”期刊上發表了題為“Coulomb interactions and migrating Dirac cones imaged by local quantum oscillations in twisted graphene”的最新論文。在本研究中，團隊利用納米級掃描超導量子干涉裝置（SQUID）成像交替扭轉三層石墨烯中的局部熱力學量子振蕩，從而探測態密度的精細特征及庫侖相互作用的影響。研究發現，在高載流子密度條件下，由已占據電子態引起的充電自能對物理特性起著最關鍵的作用。 在導帶平帶半填充時，作者觀察到鐵磁驅動的對稱性破缺，表明這種機制在一系列相變中最為穩固。在電荷中性附近，由于交換能相較于充電自能占主導地位，作者發現體系處于一種向理論上受異質應變影響而更穩定的向列半金屬基態。在這一半金屬相中，平帶狄拉克錐向迷你布里淵區中心遷移，自發打破了三重旋轉對稱性。作者提出的低磁場局部量子振蕩技術可用于探索多種強關聯范德華體系的基態特性。
研究亮點
- 實驗首次探測到交替扭轉三層石墨烯（tTLG）中的量子振蕩，揭示了平帶（FB）部分的能帶結構和庫侖相互作用的細節。通過掃描超導量子干涉裝置（SQUID）成像，研究人員能夠在低磁場下檢測到狄拉克部分的量子振蕩，并探討了庫侖相互作用對平帶的影響。
- 實驗通過自洽Hartree計算，揭示了庫侖排斥作用對平帶色散的顯著重整化，并且發現了在半填充導帶平帶時，自發的味道對稱性破缺，提示 Stoner 極化的對稱性破缺相是 MATBG 中關聯絕緣態的母相。通過這一計算，研究表明，CNP 處的基態由交換相互作用驅動的向列半金屬（NSM），并且該相自發打破了三重旋轉對稱性（C3C_3）。
- 實驗還發現，tTLG 中的 CNP 基態是一個交換相互作用驅動的無能隙向列半金屬（NSM），與之前的理論預期不同，尤其在異質應變作用下，這一相更為穩定。該發現對解決 MATBG CNP 處無法觀測到能隙的長期謎題具有重要意義。
- 實驗表明，tTLG 系統的低能量量子振蕩技術為探究強關聯范德華系統的基態提供了新的實驗平臺，可以幫助研究人員進一步探討類似材料中強關聯物理和相變的本質。
圖文解讀
圖1: 交替轉角石墨烯alternating-twist trilayer graphene，tTLG中的傳輸測量。圖2: 狄拉克Dirac 朗道能級Landau levels，LLS和Hartree相互作用成像。圖4:位移場相關性和Hartree–Fock，HF計算。
結論展望
一般來說，Hartree–Fock（HF）分析發現，KIVC態或谷霍爾態相對于無能隙的向列半金屬（NSM）態更為有利。然而，即使是微小的異質應變也會驅動相變，從而穩定NSM態。一般來說，扭曲系統，特別是交替扭轉三層石墨烯（tTLG），已經證明具有顯著的應變，掃描隧道顯微鏡（STM）測量顯示，角度錯配往往會松弛為鏡像對稱配置。作者在CNP處發現NSM基態與這些考慮一致，也與大多數實驗結果一致，這些實驗未發現CNP處存在能隙。 略偏離魔角的石墨烯體系，通常在電子關聯效應較弱的情況下，提供了研究對稱性破缺不穩定性及其層次結構的機會。作者發現，即使在沒有絕緣態的情況下，斯通納轉變仍然存在，這證明了斯通納極化態是相關絕緣態出現的母態。通過減弱相互作用強度，作者發現靠近半填充時的轉變最為穩固，這與MATBG在相同填充下出現最強相關絕緣態的現象一致。低磁場下熱力學量子振蕩（QOs）的高靈敏度使作者的測量技術成為研究低能量相互作用效應和尚未解決的脆弱基態的強有力探針。新興的框架將高摻雜下的相互作用效應（由充電自能主導）與低摻雜下交換能主導的效應區分開來。該技術可以通過熱力學QOs廣泛推廣到不天然包含Dirac錐的相互作用系統。通過在大角度扭曲下加入另一層單層石墨烯，可以將Dirac帶添加到任何范德華系統中，從而使石墨烯與感興趣的體系共享電荷密度，但在低能量下彼此有效隔離。Bocarsly, M., Roy, I., Bhardwaj, V. et al. Coulomb interactions and migrating Dirac cones imaged by local quantum oscillations in twisted graphene. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02786-z
