Nature Communications：巨大太赫兹光致电阻揭示扭角双层石墨烯的相互作用受限电导

研究背景

电阻率是揭示金属中微观相互作用的关键探针。其中电阻率随温度呈 T² 依赖长期被视为电子-电子散射的标志，并成为费米液体理论的基石。然而在费米液体中，正常的电子-电子碰撞守恒净电荷流，本身并不耗散电导；要产生有限的 T² 电阻，必须存在能够弛豫电流的机制。长期以来，倒逆（umklapp）散射与 Baber 带间散射这两种机制被认为足以解释所有费米液体金属中的电流耗散。但近年来对 SrTiO₃、Bi₂O₂Se 以及 HgTe 量子阱等稀释金属体系的研究对这一图像提出了挑战：即便在载流子浓度极低、费米面缩小为单一小口袋、倒逆与 Baber 机制均失效的情形下，这些材料依然表现出稳健的 T² 电阻，揭示出人们对费米液体中电子-电子散射如何微观地转化为 T² 电阻的理解仍存在深刻空白。

扭角双层石墨烯兼具可调能带结构与多样输运行为，同时呈现费米液体与非费米液体特征，是研究这一问题的理想平台。其电阻率遵循 ρ~T^α，标度指数 α 随摩尔能带填充在 1 与 2 之间平滑变化。当扭角调至魔角（约 1.1°）时，平带形成使电子关联显著增强，魔角样品表现出异常陡峭的 T 线性电阻，常与量子临界和奇异金属联系在一起；另一些解释则援引电子-声子或电子-电子倒逆散射。由于难以分离电子与声子主导的散射贡献，单纯依赖 ρ(T) 标度分析始终无法确定该体系电导的微观起源。

成果简介

近期，新加坡国立大学 Denis Bandurin 助理教授，研究团队利用太赫兹辐射选择性地加热电子系统而保持晶格温度不变，从而将电子-电子散射与电子-声子散射的贡献分离开来。在石墨烯类体系中，电子可与晶格发生热解耦，太赫兹激发后载流子在飞秒尺度内建立起电子温度 Te 高于晶格温度 TL 的费米-狄拉克分布。所用 0.14 THz（0.6 meV）光子能量远低于掺杂样品的带间跃迁阈值，因此观测到的电阻升高只能归因于电子加热。

实验测得的光致电阻 ∆ρTHz = ρTHz − ρ 在不同扭角样品中均呈现清晰规律：在电荷中性点、平带满填充 ν=±4 以及关联能隙 ν≈2 处，分布函数被展宽而给出负的 ∆ρTHz；在其余掺杂区间，∆ρTHz 强烈为正并随功率增大而增强，最高可达数 kΩ。在保持 TL=2 K 不变的条件下，ρ 随 Te 升高而显著增大，直接证明电子相互作用对电阻有重要贡献；估计魔角样品中电子温度可被抬高至比冷晶格高约 20 K。作为对照，声子主导的单层石墨烯几乎无光致电阻响应，仅在外加磁场下经 Bernstein 模或 SdHO 振荡才出现可测信号。

在扭角 1.58° 的低无序样品中，金属性可延伸至载流子浓度低至 10¹¹ cm⁻² 的区域。分析表明，即便在填充因子低至 ν~0.1、远低于倒逆散射动量阈值的区域，T² 电阻依然显著存在；此处费米能约 20 meV，体系保持单极性，倒逆与电子-空穴散射均被排除。团队指出，该体系的狄拉克型色散内禀地破缺了伽利略不变性，而三角翘曲进一步解除了能谷与层的等价性，使被扭曲费米口袋之间守恒动量的电子-电子散射得以产生 T² 电阻，这是目前唯一与费米液体理论自洽的相互作用驱动机制。实测 T² 前因子约为 0.1 Ω/K²，落在理论预期范围内。

图注说明

图1 太赫兹激发下 TBG 的电阻率。(A) 典型 TBG 器件示意图，太赫兹场 Eω 沿沟道方向极化并诱导电子加热。(B) 器件光学照片，金属电极为黄色，呈现光致电阻变化的 TBG 沟道为绿色，S、D 分别为源、漏电极。(C) TBG2.0 器件纵向电阻率 ρ 随温度和载流子密度 n 的变化，箭头标出 α=1（红）与 α=2（蓝）的标度区间。(D) 暗态及 0.14 THz 连续波照射下测得的 ρ(n)，太赫兹辐射只升高电子温度而晶格保持不变。

图2 TBG 中相互作用驱动的光致电阻。(A) TBG2.0 在不同辐射功率下的 ∆ρTHz(n)。(B) TBG1.05 的相应结果。(C) TBG1.05 在代表性填充因子下 ρ 随温度的变化，ν=1.7 处 dρ/dT=92 Ω/K，与魔角样品的普朗克耗散界限一致。(D) TBG1.04 的 ∆ρTHz 随归一化功率的变化。(E) ∆ρTHz 随填充因子 ν 与晶格温度 TL 的二维分布。(F) 单层石墨烯的 ∆ρTHz/ρ 随磁场的变化，箭头标出 Bernstein 模位置，插图为对 Te 敏感的 SdHO 振荡。

图3 TBG 中的反常 T² 电阻。(A) TBG1.58 纵向电阻率 ρ 随填充因子 ν 的变化，渐变阴影表示从 T²（蓝）到 T 线性（白）再到 T²（蓝）的平滑过渡。(B–C) 中性点附近（B）与超晶格能隙附近（C）代表性 ν 处的电阻变化 ∆ρ=ρ−ρ₀。(D) Hall 载流子密度 nH 随 ν 的变化，U 箭头标出允许能谷间倒逆散射的填充区间。(E) ν=0.1（实线圆）与 ν=0.45（虚线圆）时在 1.58° 迷你布里渊区内的费米面。(F) 与(E)相同，但对应电子侧超晶格能隙附近的填充。

总结展望

本工作建立了一种辐射驱动的热电子方法，用于分离输运中的电子-电子与电子-声子贡献。在魔角处观测到异常巨大的光致电阻，证明即使在常被归因于声子的 T 线性区域，电子相互作用也占据主导；在更高扭角处，T² 电阻在倒逆阈值以下依然稳健，指向由狄拉克能带伽利略不变性破缺、经正常能谷间散射所实现的电流弛豫机制。这些结果将魔角器件的反常输运与高扭角体系的二次标度统一起来，并把该体系与 SrTiO₃、Bi₂O₂Se 等其他稀释关联金属联系在一起，确立了太赫兹光电导作为理解摩尔及其他低密度量子材料输运的框架。团队也指出，电子相互作用如何微观地转化为 T 线性电阻、phason 模的作用，以及 T 线性与 T² 之间连续过渡的机制，仍有待进一步研究。

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41467-026-76554-9