西湖大学徐水钢团队Phys. Rev. Lett.: 魔角转角三层石墨烯中的重费米子相图

2026年7月20日，Phys. Rev. Lett.在线发表了西湖大学徐水钢研究员课题组的研究论文，题目为《Heavy-Fermion Phase Diagram in Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene》，论文的第一作者为Le Zhang。

具有平带的二维莫尔超晶格已成为探索强关联物质的多功能平台。局域电子之间的强格点相互作用可以产生多种量子相，包括非常规超导电性和关联绝缘态。除了已建立的哈伯德物理之外，莫尔材料可以通过将局域磁矩（f电子）与巡游传导电子（c电子）的耦合来模拟近藤晶格物理。

在魔角转角双层石墨烯（MATBG）中，以AA堆叠区域为中心的f电子与类平面波的巡游c电子之间的杂化可以在费米能级附近产生拓扑平带。其对应的魔角转角三层石墨烯（MATTG）同时拥有平带和一组狄拉克带。这些额外的狄拉克带不仅有助于稳定超导态，还提供了额外的c电子和一种前所未有的原位可调性。这使得能够模拟完整的重费米子相图，超越了在MATBG和半导体过渡金属二硫族化合物异质双层中可能实现的范围。

在此研究中，作者展示了魔角转角三层石墨烯中电可调的重费米子相图，这是通过位移场控制局域平带电子与巡游狄拉克电子之间的近藤杂化来实现的。研究结果揭示了从反铁磁半金属到顺磁重费米子金属的连续量子相变。在量子临界点处，观察到有效质量发散和费米面重构。这一高度可调的平台为研究重费米子物理提供了前所未有的调控能力，将莫尔异质结构确立为在二维极限下探索关联量子相（包括潜在非常规超导电性）的多功能平台。

图1 (a) 双栅极MATTG器件的示意图；(b-c) MATTG在零位移场和有限位移场下的紧束缚能带结构。右图：局域磁矩在D = 0 V nm^-1和D = 0.9 V nm^-1下与巡游电子相互作用的示意图；(d) 在T = 1.8 K下，纵向电阻R_xx随ν和D的变化；(e-f) 在D = 0 V nm^-1下R_xx和R_xy的朗道扇形图；(g) 在D = 0 V nm^-1和ν = 3下的量子霍尔态

图2 (a) 在D = 0.9 V nm^-1和ν = 3下R_xx随温度的变化；(b) 在D = 0.9 V nm^-1和ν = 3下的R_xy-T曲线；(c-d) 在D = 0.9 V nm^-1和ν = 5.5下超出平带区域获得的R_xx-T和R_xy-T曲线；(e) 在不同位移场下ν = 3时的R_xx-T曲线；(f) 在20 K以下，位移场从D = 0 V nm^-1到D = 0.3 V nm^-1范围内ν = 3时的R_xx-T曲线；(g) 在D = 0 V nm^-1和ν = 3下不同温度时R_xy随磁场的变化；(h) 在D = 0 V nm^-1和ν = 3下逆磁化率随温度的变化

图3 (a) D可调的重费米子相图；(b) 拟合得到的T²项的A系数和从低温区SdH振荡中提取的有效质量m随D的变化；(c-d) 在不同离散D值下R_xx和R_xy随磁场的变化

图4 (a) 在ν = 3下霍尔载流子密度n_H和纵向电阻R_xx随D的变化；(b) 临界位移场附近的能带结构示意图；(c) 在ν = 3和T = 0.25 K下R_xx随D和μ₀H的变化；(d) 根据(c)中数据计算得到的朗道扇形图的快速傅里叶变换(FFT)；(e) 在D = 0 V nm^-1和D = 0.77 V nm^-1下SdH振荡的FFT谱

图5 MATTG中ν = 3处重费米子的相图

论文链接

Zhang, L., Zhou, W., Fang, X. et al. Heavy-Fermion Phase Diagram in Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene. Phys. Rev. Lett., 2026, 137, 046301. https://doi.org/10.1103/zzks-vkl2

投稿日期：2025年09月05日

接收日期：2026年06月18日