“转”出来的新物理：转角石墨烯中的关联、拓扑与超导

IMAGE: 转角石墨烯莫尔超晶格中电子关联、超导和拓扑物性交织的量子物态 CREDIT: ©《中国科学》杂志社

2018年，魔角双层石墨烯中关联绝缘态与超导电性的发现，引发了凝聚态物理领域的一场“twistronics（转角电子学）”热潮。研究人员发现，仅仅通过在两层石墨烯之间引入约1.1°的微小转角，就能够形成莫尔超晶格，并显著压制电子动能，从而产生强关联平带体系。近年来，围绕这一体系，人们陆续发现了关联绝缘体、轨道磁性、量子反常霍尔效应、分数量子拓扑态以及非常规超导等一系列新奇量子现象。

近期，南方科技大学杨硕颖助理教授与电子科技大学沈成教授在《国家科学评论》上撰写综述《Twisting Graphene into Correlation and Topology》，系统总结了转角石墨烯领域近年来的重要研究进展。文章围绕“Twist（扭转）—Correlation（关联）—Topology（拓扑）”这一主线，重点讨论了魔角双层石墨烯中的平带形成机制、关联电子态、拓扑量子态以及非常规超导行为，并进一步扩展到多层转角石墨烯体系。

综述指出，魔角双层石墨烯最核心的特点在于其平带电子结构。正是这种特殊的能带，完美地展现了转角石墨烯莫尔超晶格中电子关联、超导和拓扑物性交织的量子物态。由于电子动能被极大压低，电子间库仑相互作用开始主导体系行为，从而诱导出了包括关联绝缘体、谷相干序以及类似“重费米子”的复杂电子行为。与此同时，平带中伴随着的非平庸量子几何和贝里曲率，使体系能够产生轨道陈绝缘体、量子反常霍尔态以及拓扑电子晶体等一系列新型拓扑量子态。

在备受瞩目的超导方面，越来越多实验表明，转角石墨烯中的超导并非传统BCS型超导，而更接近强耦合、非常规配对机制。其中，量子几何对超流刚度的增强作用，也被认为可能是平带体系中超导能够稳定存在的重要原因之一。

除了经典的双层结构，文章还全面总结了转角M+N层石墨烯、交替扭转多层石墨烯以及超级莫尔体系等新型平台的发展。相比魔角双层石墨烯，这些体系具有更丰富的能带结构、更强的可调性以及独特的关联与拓扑量子态。

总体而言，转角石墨烯已经从一种“简单旋转二维材料”的概念，发展成为研究强关联、拓扑量子态与非常规超导的重要平台。随着莫尔工程与量子调控技术的不断发展，twistronics有望持续推动人们对新型量子物态及其潜在器件应用的探索。

JOURNAL

National Science Review

DOI

10.1093/nsr/nwag363