第一作者：Kevin P. Nuckolls

通讯作者：Ali Yazdani

通讯单位：普林斯顿大学

研究亮点：

1. 发展了一种基于扫描隧道显微镜的局域谱学技术，可以在磁场中检测魔角扭曲双层石墨烯中的Chern数和拓扑相。

2. 打破传统认知，发现强相关体系中，莫尔平带体系也可以产生拓扑相，超出了弱相互作用模型的范围。

电子与其能带拓扑之间的相互作用，会使物质产生异常量子相。研究表明，大多数拓扑电子相出现在电子与电子相互作用较弱的系统中，仅由于强相互作用而出现拓扑相的情况很少见，并且大多局限于强磁场体系。

大量研究表明，器件的几何形状会破坏石墨烯系统的空间对称性。在魔角扭曲双层石墨烯中，其与六方氮化硼（hBN）衬底对齐将破坏C2对称性，科学家发现了具有拓扑特征的扁平电子带。魔角扭曲双层石墨烯中强相关性的存在，产生了弱相互作用理论无法预料的拓扑状态，为寻找强相关的拓扑相提供了独特的机会。

有鉴与此，普林斯顿大学Ali Yazdani等人报道了一种基于扫描隧道显微镜的局域谱学技术，可以在磁场中检测魔角扭曲双层石墨烯中Chern数C =±1，±2和±3的拓扑绝缘相。

图1. 200mK温度下，磁场对魔角石墨烯谱学影响

这种方法能够使用局部谱学来识别间隙相的多体起源，同时分析其磁场响应以量化其特征拓扑不变性。结果表明，与单粒子对称性破坏效应相反，强相关性可以在魔角扭曲双层石墨烯中固有地产生拓扑相。

图2. 强相关Chern绝缘相的谱学结构

在此之前，研究人员发现当六方氮化硼衬底故意破坏MATBG的亚晶格对称性时，可以观察到其中一个相（C = +1），而相互作用具有次要作用。这项研究证明，电子与电子的强相互作用不仅可以产生先前观察到的相，而且还可以在MATBG中产生其他意外的C =±3的绝缘相。

图3. 强相关Chern绝缘相对磁场响应的量化描述

为了理解所观察到的全部相序，研究人员推测，强相关性有助于打破时间反转对称性，来形成由弱磁场稳定的Chern绝缘子。

图4. 理论解释

这项研究表明，在强相关体系中莫尔平带体系也可以产生拓扑相，这极大地超出了弱相互作用模型的范围，为探索更多新奇的量子相提供了新的认知。

参考文献：

KevinP. Nuckolls et al. Strongly correlated Chern insulators in magic-angle twistedbilayer graphene. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3028-8