研究背景

　　平帶莫爾石墨烯體系（Moiré graphene systems）因其能夠提供強關聯物質相與高實驗可調性的特點，成為了研究量子材料和相互作用機制的重要平臺。這些材料為探索相互作用量子材料的機制和起源提供了可控的窗口，尤其在電子、光學及超導等領域展現了廣泛的應用潛力。與傳統的石墨烯材料相比，莫爾石墨烯體系具有平帶結構，在特定的扭曲角度下形成平坦的能帶，從而引發強關聯現象，如非常規超導性和關聯絕緣性。然而，盡管在理論和實驗研究中取得了許多進展，莫爾石墨烯體系仍存在許多未解之謎，尤其是在電荷中性點（CNP）處的基態識別上。如何區分不同的相，特別是在 CNP 處的相，是當前研究中的一大挑戰。

研究內容

　　有鑒于此，以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）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”的論文。該團隊通過設計和制備交替扭轉三層石墨烯（tTLG），實現了對平帶體系中庫侖相互作用及其對稱性破缺的深度探測。利用低場局部量子振蕩技術，該團隊成功地探測到了 tTLG 中的量子振蕩現象，揭示了由于庫侖相互作用導致的能帶重整化及對稱性破缺的細節。在半填充導帶平帶時，團隊觀察到自發的味道對稱性破缺，表明該相是由 Stoner 極化機制驅動的對稱性破缺相，是 MATBG 體系中廣泛存在的關聯絕緣態的母相。此外，研究還發現，在 CNP 附近，系統進入了一種由交換相互作用驅動的向列半金屬（NSM）基態，且這一相自發打破了三重旋轉對稱性。研究表明，即便是少量的異質應變也能夠使這一向列半金屬相在能量上占據優勢，為解釋 MATBG 系統中 CNP 處無法觀察到能隙的長期謎題提供了重要的實驗依據。

　　該研究顯著提高了對平帶莫爾石墨烯體系中關聯物理的理解，特別是在電荷中性點附近的基態探索方面，突破了傳統輸運測量方法的局限性，為未來研究更多強關聯范德華體系的基態性質提供了新的實驗手段和理論依據。

圖文導讀

　　1.實驗首次通過局部熱力學 de Haas–van Alphen 量子振蕩（QOs）技術探測了交替扭轉三層石墨烯（tTLG）中的能帶結構，獲得了狄拉克部分的量子振蕩數據，成功探測到低至 56 mT 的磁場下的量子效應。

　　2.實驗通過掃描超導量子干涉裝置（SOT）成像，并結合自洽 Hartree 計算，發現了由庫侖排斥作用引起的平帶色散重整化，證實了庫侖相互作用在平帶物理中的重要作用。

　　3.在導帶平帶半填充時，觀察到自發的味道對稱性破缺，進一步推測了 Stoner 極化的對稱性破缺相是 MATBG 中普遍存在的關聯絕緣態的母相。

　　4.在電荷中性點（CNP）附近，發現該基態為交換相互作用驅動的向列半金屬（NSM），并自發打破 C3 對稱性。這一發現為理解 MATBG 中 CNP 處的無能隙狀態提供了新的理論依據。

　　5.通過實驗數據，進一步驗證了異質應變對這一半金屬相的能量穩定性影響，表明異質應變可以使該相在能量上變得更加有利。

　　6.本研究為探索強關聯范德華體系的基態提供了新的實驗手段，并為解決電荷中性點處相變的長期難題提供了寶貴的實驗證據。

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 3| ν=2時的對稱破缺。

圖 4| 位移場相關性和Hartree–Fock，HF計算。

結論展望

　　本文的研究提供了關于強關聯體系基態的新見解，特別是通過低磁場熱力學量子振蕩技術揭示了CNP處無能隙的向列半金屬（NSM）相的存在。這一發現表明，異質應變對NSM態的穩定性具有重要作用，尤其在石墨烯扭曲體系中，微小的應變變化可能導致從其他有能隙相到NSM態的轉變。此外，研究還表明，斯通納極化態是相關絕緣態出現的母態，揭示了斯通納轉變在不同填充情況下的普適性。通過熱力學QOs，本文有效地區分了高摻雜與低摻雜下的相互作用效應，為研究復雜相互作用的系統提供了強有力的實驗工具。該技術不僅能深入理解石墨烯等體系的多體相互作用，也為其他沒有Dirac錐的范德華材料體系的研究提供了新的思路。未來，研究人員可以通過引入大角度扭曲的單層石墨烯，進一步探索不同范德華體系中的電子關聯效應，推動新型量子材料的開發與應用。

　　來源：低維材料前沿