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研究背景

隨著對二維材料中強關聯(lián)效應的研究不斷深入，科學界開始關注其中一種稱為電子向列相的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于庫侖相互作用引起的，導致了電子的平面旋轉對稱性降低。并且這一現(xiàn)象已經(jīng)在多種強關聯(lián)的二維系統(tǒng)中被廣泛觀察到，例如魯銠酸鍶、銅酸鹽材料和魔角扭轉雙層和三層石墨烯等。然而，除了已知的電子向列相外，還存在其他類型的電子序，其對材料性質的影響尚不清楚。

成果簡介

為了解決這一問題，美國布朗大學物理系J. I. A. Li教授等人在Nature Materials在線發(fā)表“Highly entangled polyradical nanographene with coexisting strong correlation and topological frustration”的研究成果，他們使用了扭轉三層石墨烯樣品，并設計了太陽花形狀的實驗幾何形狀，以實現(xiàn)在各個角度下的輸運測量。通過對這些測量數(shù)據(jù)的分析，他們發(fā)現(xiàn)了與電子序有關的新型輸運非對稱性。這項研究解決了理解強關聯(lián)二維系統(tǒng)中電子序的性質和影響的問題。通過角度分辨的輸運性質測量，科學家們成功地揭示了不同電子序類型對輸運非對稱性的影響，并提出了與此現(xiàn)象相關的可能機制，如軌道鐵磁性和谷極化。這為進一步研究強關聯(lián)二維系統(tǒng)中的電子序提供了新的理論和實驗基礎。

圖文導讀

圖1的實驗探究了角度分辨?zhèn)鬏旐憫膶ΨQ性分析。在該圖中，a-c部分展示了具有不同角度對稱性的費米面輪廓示意圖，其中黑色箭頭標記了鏡面軸的方位方向。通過這些示意圖，可以觀察到不同對稱性情況下的費米面形態(tài)。而d-f部分則展示了當基礎電子狀態(tài)由兩個、一個和三個鏡面軸描述時，傳輸響應的預期角度依賴性。左右兩個面板展示了在笛卡爾和極坐標系中相同的角度依賴性。d面板展示了縱向和橫向電阻R∥和R⊥的角度依賴性，e和f面板展示了傳輸非對稱性的角度依賴性。最后，g部分是示意圖，展示了太陽花狀樣品和角度分辨?zhèn)鬏敺菍ΨQ性測量的設置。這些結果可以更好地理解強相關的二維材料中的自發(fā)對稱性破缺現(xiàn)象，為揭示新的物理現(xiàn)象提供了理論基礎和實驗依據(jù)（見圖1）。

圖1. 角度分辨?zhèn)鬏旐憫膶ΨQ性分析

為了展示扭曲三層石墨烯（tTLG）中傳輸非對稱性的存在，研究者在圖2中的各部分包括a至g，展示了不同電流偏置和填充條件下的傳輸非對稱性的角度依賴性。首先，通過I-V特性（圖2a），作者觀察到了非線性響應，其中大電流偏置下的電壓響應偏離了線性分量。這表明了傳輸非對稱性的存在。其次，通過二次諧波非線性傳輸響應（圖2b），作者發(fā)現(xiàn)了在交流電流偏置下的非對稱性，其呈現(xiàn)出二次依賴關系。進一步，通過角度依賴性的測量（圖2c至g），作者發(fā)現(xiàn)了非對稱性的角度振蕩。在某些填充條件下，傳輸非對稱性顯示出與鏡面對稱性破壞相關的特征，如角度振蕩的周期和相位差。這些結果對理解扭曲三層石墨烯中的自發(fā)對稱性破壞以及電子態(tài)的性質具有重要意義。通過揭示傳輸非對稱性在不同條件下的角度依賴性，讀者能夠更深入地理解材料的特性，為設計和開發(fā)新型功能材料提供了重要的理論基礎。

圖2. tTLG中的傳輸非對稱性

圖3的實驗旨在探究tTLG的線性傳輸響應和非對稱性的角度依賴性。圖中展示了tTLG樣品在不同莫爾反射帶填充條件下的縱向電阻和霍爾密度，呈現(xiàn)出一系列與莫爾反射帶的標志性特征（見圖3a、b）。這些特征與之前在魔角扭曲雙層和三層石墨烯中觀察到的現(xiàn)象相符，表明費米面重構在整數(shù)帶填充附近被自發(fā)地解除。值得注意的是，通過將tTLG樣品與WSe₂晶體近距離結合，觀察到了超導性和軌道鐵磁序的存在，這與近距離效應的先前觀察結果一致。進一步的角度依賴性分析揭示了非對稱性的新型級聯(lián)現(xiàn)象。圖3c、d展示了非對稱性隨著帶填充變化的角度依賴性，發(fā)現(xiàn)了一系列的鏡面軸方向變化，這可能與基礎莫爾格晶格的晶體學軸有關。此外，研究還觀察到了鏡面軸方向的熱循環(huán)和大電流偏置誘導的短暫轉變，這表明了自發(fā)旋轉對稱性破缺的過程。這些發(fā)現(xiàn)對作者理解tTLG中的自發(fā)對稱性破缺和電子態(tài)的性質具有重要意義，為進一步探索新型功能材料提供了有價值的理論基礎。

圖3. 莫爾潤滑帶和非對稱性的密度依賴性

研究者在圖4中進行了實驗旨在探究非對稱性、軌道鐵磁性和超導性之間的關系。他們首先通過在不同磁場和電流偏置下測量輸運響應來研究軌道鐵磁序的特性（見圖4a、b）。結果顯示，當磁場和電流偏置來回變化時，出現(xiàn)了明顯的磁滯現(xiàn)象，這表明了軌道鐵磁性的存在。此外，他們觀察到了電流誘導的磁滯，這與其他石墨烯異質結中觀察到的異?；魻栃辔呛?。磁滯回線的面積提供了軌道鐵磁序強度的度量。隨著溫度的降低，非對稱性的出現(xiàn)時機與軌道鐵磁性的出現(xiàn)時機相一致，表明了它們之間的密切關系。此外，研究者還觀察到了非對稱性在超導態(tài)和正常態(tài)中的存在。他們發(fā)現(xiàn)非對稱性的角度依賴性顯示出單個鏡面軸的存在，這暗示了C3對稱性的破缺。在正常態(tài)和超導態(tài)中觀察到的非對稱性表明了C2、C3和T同時被破壞，這與動量空間不穩(wěn)定性的對稱性要求一致。通過這些實驗，研究者揭示了非對稱性、軌道鐵磁性和超導性之間的密切關系。

圖4. 非對稱性、軌道鐵磁性和超導性

總結展望

本文強調了角度分辨的輸運性質測量在理解強關聯(lián)二維系統(tǒng)中電子序的性質和影響方面的重要性。通過對輸運非對稱性的深入研究，揭示了不同電子序類型對材料性質的影響，并提出了可能的機制，如軌道鐵磁性和谷極化。這為理解和探索強關聯(lián)二維系統(tǒng)中的電子序提供了新的理論和實驗基礎。此外，本研究還強調了角度分辨的測量技術在研究納米尺度材料中的重要性，為開發(fā)新型材料和器件提供了新的方法和思路。因此，本文的科學啟示在于促進了對強關聯(lián)二維系統(tǒng)中電子序的深入理解，同時推動了納米尺度材料研究領域的發(fā)展。

文獻信息

Zhang, N.J., Lin, JX., Chichinadze, D.V.et al. Angle-resolved transport non-reciprocity and spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene.?Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01809-z

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