第一作者：Simon Turkel

通讯作者：Abhay N. Pasupathy

通讯单位：哥伦比亚大学

凝聚态物理学术QQ群：1083456536

堆叠的扭角多层石墨烯具有奇特的传输性质，目前人们在三层扭曲石墨烯（顶层、底层相对于中间层同时扭转相同角度）中发现超导效应，这种超导效应与平带有关。

有鉴于此，哥伦比亚大学Abhay N. Pasupathy等报道通过扫描隧道显微镜对堆叠结构进行表征，发现当顶层、底层堆叠过程中产生较小的偏差将导致晶格发生重排，形成三角形区域，这种区域呈现扭转三层魔角石墨烯结构，相邻的三角形区域之间形成线状、点状缺陷。

实验和发现。在低温条件使用扫描隧道电子显微镜对扭转角三层石墨烯进行形貌结构、电子结构表征，发现三层石墨烯重新构建moiré晶格，结构形成锁定在接近魔角的现象，形成的镜像对称空间区域的尺寸与超导相干距离类似。这种晶格重构形成一系列缺陷位点，将其命名为“twistons”和“moiré solitons”，这种缺陷与掺杂形成的颗粒状电子结构类似。

Moiré晶格重构

图1. STM表征三层堆叠魔角石墨烯

三层魔角石墨烯的形成。将底层石墨烯固定，分别依次将顶部两层石墨烯旋转~1.56°魔角、~2×1.56°，因此生成Moiré晶格。在理论上这种方法能够得到完美的结构，并且导致形成奇异的超导量子态。但是在实际情况中，因为宏观大面积石墨烯堆叠过程中难以避免形成原子排布失配，因此难以在实验中得到完美对称结构堆叠的结构。作者通过扫描隧道显微镜观测，发现了非完美结构Moiré晶格（图1B-C）。

作者在高真空环境使用原子分辨率的扫描隧道显微镜在4.8-7.2 K温度之间表征魔角石墨烯的电子结构。发现堆叠三层石墨烯中产生Moiré晶格重构，通过在原子排列形式为AAA位点发生扭曲，导致AtA位点的原子排列周期性增强，这种Moiré晶格扭曲现象是因为不同区域的局部变化扭转角和石墨烯产生的应力两方面原因导致。

三层石墨烯电子结构

图2.三层堆叠石墨烯的均匀电子结构

图3. Moiré晶格重构

在7.2K温度和电荷中性点CNP（charge neutralitypoint）条件对AAA位点的电子结构进行表征，发现电子结构是通过一对由于导带和价带平带部分重叠导致共振产生的，其中每个平带能够在态密度中形成尖峰或者van Hove奇点，因此通过分析观测结果发现价带和导带van Hove奇点相隔18 eV，价带和导带的半峰宽达到~23 eV。

随后系统性的调节施加电压(V_g)，观测van Hove奇点的平带变化规律，发现能够系统性的调节峰强度、峰距离、峰宽。

魔角石墨烯的缺陷

图4.魔角三层堆叠石墨烯中平带共振

通过考察实空间的电子结构，在电中性条件发现魔角堆叠三层石墨烯材料形成明显的畸变，石墨烯堆叠过程的角度失配~0.3°，形成~50 nm方格，与超导相干长度类似。在调节载流子的过程中，发现态密度图变得更加均匀，意味着畸变现象得到缓解。说明与其他类型Moiré材料相比，堆叠石墨烯具有独特性质，能够通过V_g系统的调节电子的无序态。堆叠魔角三层石墨烯中的平带共振导致电子的无序态降低，增强超导性，说明沿着掺杂轴的超导现象可能因为原子排列无序化产生的。进一步的验证原子排列无序产生超导的结论需要直接观测原子排列变化与超导性之间的关系。

参考文献：

Simon Turkel, Joshua Swann, Ziyan Zhu, MaineChristos, K. Watanabe, T. Taniguchi, Subir Sachdev, Mathias S. Scheurer,Efthimios Kaxiras, Cory R. Dean, Abhay N. Pasupathy*, Orderly disorder inmagic-angle twisted trilayer graphene, Science 2022, 376 (6589), 193-199

DOI: 10.1126/science.abk1895

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1895