研究背景
随着二维材料领域的迅猛发展，魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）及其异质结构引起了广泛关注。特别是在MATBG中观察到的一系列强相关量子相，如异常霍尔效应和铁电性，促使科学家们对其潜在的物理现象和应用进行深入探讨。在这些研究中，二阶超晶格（SOSL）作为一个重要的概念逐渐受到关注。二阶超晶格是由具有相似周期性的莫尔超晶格干涉形成的，其周期性比基础的莫尔超晶格更大，能够引发更为复杂的物理现象。尽管SOSL的理论模型和局部成像已经在实验中得到了一定的验证，但对其在实空间的分布和特性的研究仍然不足。特别是，SOSL的实际分布在中尺度上的观测和其对应的物理机制仍然缺乏全面的理解。实际中，由于设备中不可避免的应变和扭转角度变化，这些因素对SOSL的影响尚未被详细探讨。应变和扭转角度的微小变化可以导致SOSL结构的显著变化，这对于理解和控制SOSL中的拓扑相至关重要。 为了解决这些问题，西班牙巴塞罗那科学技术学院（The Barcelona Institute of Science and Technology）Petr Stepanov & Frank H. L. Koppens等携手采用了低温近场光电技术对MATBG与氮化硼（hBN）对齐的异质结构进行探测。该技术能够在远低于衍射极限的尺度下探测SOSL的光电响应，从而揭示SOSL的实空间分布和潜在的局部变异。研究中通过电子输运测量和低温纳米尺度光电压测量，成功地揭示了SOSL的长程周期性调制，并发现了即使是极小的应变和扭转角度变化也能显著改变SOSL的结构。以上成果在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Cryogenic nano-imaging of second-order moiré superlattices”的最新论文。
研究亮点
1. 实验首次揭示了二阶超晶格（SOSL）的实空间分布，得到了在氮化硼（hBN）与魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）对齐的结构中，SOSL的长程周期性调制。通过电子输运测量和低温纳米尺度光电压测量，研究者首次可视化了二阶超晶格的实际分布。这一成果突破了之前仅能在纳米尺度观察到的局限，提供了关于SOSL结构的详细实空间信息。2. 实验通过光电压测量技术探测到SOSL的存在，并揭示了其对局部应变和扭转角度的高度敏感性。研究中使用了红外光激发金属涂层的AFM探针，在10 K低温下对MATBG/hBN异质结构进行了纳米尺度光电压测量。 3. 结果显示，在不同位置观察到两组条纹，这表明SOSL的局部势变化。进一步的理论模型验证了这些条纹的来源，并展示了SOSL对微小应变和扭转角度变化的敏感性。这些发现有助于阐明SOSL对MATBG平带物理的影响，并提供了对扭曲双层石墨烯中空间对称性破缺机制的新见解。
图文解读
图1：温度T=10K时，双层魔角石墨烯magic-angle twisted bilayer graphene ，MATBG/六方氮化硼hBN 二阶超晶格second-order superlattice，SOSL的纳米级光电压测量。
图2. 实验观察到了光电压特征和反转对称性破缺的栅极和温度响应。
图5: 转角和应变大小函数的二阶超晶格SOSL实空间图。
总结展望
本文的研究揭示了二阶超晶格（SOSL）在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）与氮化硼（hBN）对齐时的形成及其显著影响。SOSL的出现源于两种一阶莫尔超晶格的几何干涉，显示了即使微小的应变和扭转角度变化也能显著改变超晶格结构。这一发现为我们提供了一个新的视角来理解和操控二维材料中的拓扑相和相关现象。通过低温纳米尺度光电压测量，本研究不仅验证了SOSL的存在，还揭示了其对电子性质的细微影响。该工作展示了在高精度调控下，二维材料中结构特征的变化如何导致量子相的变化，提供了深入探讨超晶格应变及其对量子相影响的可能途径。这些成果不仅丰富了对超晶格现象的理解，也为未来在二维材料中设计和应用新奇量子相奠定了理论基础，推动了纳米尺度光电测量技术的发展。 Hesp, N.C.H., Batlle-Porro, S., Krishna Kumar, R. et al. Cryogenic nano-imaging of second-order moiré superlattices. Nat. Mater. (2024).https://doi.org/10.1038/s41563-024-01993-y
