2018年，人们发现这两层石墨烯以“神奇”的角度相互扭曲，呈现出各种有趣的量子相，包括超导性、磁性和绝缘行为。现在，由凝聚态物理系的Shahal Ilani教授领导的魏茨曼科学研究所的一组研究人员和麻省理工学院的Pablo Jarillo-赫雷罗教授的研究团队发现，这些量子相起源于以前未知的高能“母态”，具有不寻常的对称性破坏。

石墨烯是一种扁平的碳晶体，只有一个原子厚。当两块这种材料以小角度叠放在一起时，会出现周期性的云纹图案。这种模式为材料中的电子提供了一个人造晶格。在这个扭曲的两层系统中，电子有四种味道：向上自旋或向下自旋，并与石墨烯六边形晶格衍生的两个谷结合。因此，每个莫尔条纹位置最多可以容纳四个电子，每种口味一个。

尽管研究人员已经知道，当所有莫尔条纹位置都被完全填满时(每个位置四个电子)，该系统就像一个简单的绝缘体，但Jarillo-赫雷罗和他的同事发现，令他们惊讶的是，在2018年，它有一个特定的“魔法”角度，扭曲的系统在其他整数位置(每个莫尔条纹位置两个或三个电子)也会变得绝缘。魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)无法用单粒子物理来解释，通常被称为“相关Mott绝缘体”。更令人惊讶的是，在这些填充物附近发现了奇怪的超导性。这些发现引发了一系列旨在回答一个大问题的研究活动：在MATBG和类似的扭曲系统中发现的新的奇异状态的本质是什么？

碳纳米管探测器对魔角石墨烯的电子成像

魏茨曼的团队开始使用一种独特类型的显微镜来研究MATBG中电子相互作用的行为，这种显微镜使用位于扫描探针悬臂边缘的碳纳米管单电子晶体管。该仪器可以在真实空间中以高灵敏度成像材料中电子产生的电势。

“使用这个工具，我们可以首次对这个系统中电子的‘可压缩性’进行成像，也就是说，将额外的电子挤压到空间中给定点的难度，”Ilani解释道。粗略地说，电子的可压缩性反映了它们的相位：在绝缘体中，电子是不可压缩的，而在金属中，它们是高度可压缩的

可压缩性也揭示了电子的“有效质量”。例如，在规则的石墨烯中，电子非常轻，因此它们表现得像独立的粒子，实际上忽略了它们的伴电子的存在。另一方面，在焦墨石墨烯中，电子被认为极其“重”，因此它们的行为受与其他电子相互作用的支配——这是许多研究人员将其归因于在这种材料中发现的异相的事实。因此，魏茨曼的团队预计可压缩性会表现出一种与电子填充相关的非常简单的模式：在每一个整数Moire网格填充处都会出现具有重电子的高度可压缩金属和不可压缩Mott绝缘体之间的交换。

令他们惊讶的是，他们观察到了一种完全不同的模式。他们观察到整数填充附近的电子压缩比发生了急剧的不对称跳跃，而不是从金属到绝缘体再回到金属的对称转变。

该研究的主要作者Uri Zondiner说：“这意味着，在这种转变之前和之后，运营商的性质明显不同。”“在转变之前，载流子非常重，但在载流子之后，它们看起来非常轻，让人想起石墨烯中的‘狄拉克电子’。”

在每个整数填充附近都可以看到相同的行为，其中重载流子突然消失，轻的类似狄拉克的电子重新出现。

但是，如何理解这种载体性质的突然变化呢？为了解决这个问题，研究小组与魏茨曼理论家教授合作。埃雷兹伯格、尤瓦尔奥雷格、紫琳斯特恩和拉奎尔奎罗斯博士；还有柏林自由大学的菲利克斯冯奥本教授。他们构建了一个简单的模型，该模型揭示了电子以一种非常不寻常的“西西弗斯”方式填充MATBG中的能带：当电子从“狄拉克点”(价带和导带刚刚接触的点)开始填充时，它们表现正常，并均匀分布在四种可能的口味中。该研究的主要作者Asaf Rozen解释说：“然而，当每个莫尔超晶格位置的填充量接近整数个电子时，就会发生剧烈的相变。”“在这个过渡时期，

“没有电子，剩下的三种调味剂需要从头再来。他们这样做，直到另一个相变发生，此时，其他三种调味剂中的一种抓住所有相等的载体，并将它们推回到正方形。因此，电子需要像西西弗斯一样爬山，不断被推回到起点，这样它们才能恢复轻狄拉克电子的行为，”罗森说。当系统处于低载流子填充状态时

一个“父母国家”

伊拉尼说：“最令人惊讶的是，我们发现的相变和狄拉克复兴出现在远远超过迄今所观察到的超导和相关绝缘态开始的温度。”“这表明，我们所看到的对称性破坏状态实际上是'母态'，在其中出现了更脆弱的超导和相关的绝缘基态。”

打破对称性的独特方式对这种扭曲系统中的绝缘态和超导态具有重要的意义。

“例如，众所周知，当电子更重时，会产生更强的超导性。但是，我们的实验却恰恰相反：在相变使光狄拉克电子恢复后，超导性出现在这个魔角石墨烯系统中。与其他更传统的超导形式相比，它告诉我们的关于该系统超导性质的问题仍然是一个有趣的悬而未决的问题，” Zondiner说。

普林斯顿大学的Ali Yazdani教授及其同事在同一《自然》杂志上发表的另一篇论文中报道了相似的相变级联。Ilani说：“普林斯顿大学的团队使用一种完全不同的实验技术研究了MATBG，该技术基于高度灵敏的扫描隧道显微镜，因此非常令人放心的是，互补技术会导致类似的观察结果。”

魏茨曼和麻省理工学院的研究人员说，他们现在将使用其扫描纳米管单电子晶体管平台来回答有关各种扭曲层系统中的电子的这些和其他基本问题：电子的可压缩性与其表观传输特性之间是什么关系?这些系统在低温下形成的相关态的性质是什么?构成这些状态的基本准粒子是什么?

这项研究“魔角石墨烯中的相变和狄拉克恢复的级联”已于6月11日发表在《自然》杂志上。