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層間轉角在層狀堆垛的二維材料體系中提供了一個全新的自由度來調控其結構與性質。近幾年，相關方面的研究引起了廣泛的關注。早在2012年，何林課題組就開始關注轉角對雙層石墨烯結構和電學性質的影響，測量了不同轉角雙層石墨烯的兩個范霍夫峰的峰間距能量與轉角大小的關系[1]，并預言該體系中的準粒子具有可調控的手征性[2]，研究了應變結構在該體系產生的贗磁場和贗朗道能級[3]。2015年，何林團隊發現雙層轉角石墨烯體系費米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉角為1.1度(第一魔轉角)附近時費米速度降為零[4]，并于2017年，在轉角接近魔轉角的雙層石墨烯體系觀察到強電子-電子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo課題組在魔角雙層石墨烯觀察到電子-電子相互作用導致的關聯絕緣體態和超導態，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過去兩年凝聚態物理研究的最大熱點。 近期，何林課題組發展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統（STM）研究的雙層轉角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導致的平帶簡并度解除和新奇強關聯量子物態的關聯。例如，何林課題組與合作者發現當小轉角體系的平帶被部分填充時，電子-電子相互作用會解除平帶的谷贗自旋簡并度，在體系中產生很大的軌道磁矩（每個莫爾約10μ_B），由于軌道磁矩和磁場的耦合，谷極化態的劈裂能量會隨著外加磁場線性增大[6]。同樣的結果也在應變引起的平帶中觀察到了，當雙層石墨烯的轉角接近魔角時，體系中微小的應變結構可以使兩個范霍夫峰之間出現一個新的零能量平帶（贗朗道能級），何林課題組與合作者發現電子-電子相互作用會解除贗朗道能級的谷贗自旋簡并度，產生軌道磁性態[7]。這些結果表明小轉角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態和量子反常霍爾效應的理想平臺。在角度大于魔角的小轉角雙層石墨烯中，何林課題組與合作者證明電子-電子相互作用依然會起重要作用，并有可能產生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強關聯量子物態。例如在1.49度的樣品中，他們證明電子-電子相互作用解除了體系平帶中的自旋和谷贗自旋的簡并度，產生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態[8]，這一結果進一步拓寬了轉角體系新奇強關聯量子物態的研究范圍。 除了電學性質受層間轉角的調制，在雙層轉角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內晶格畸變引起的應變能的競爭，其原子結構也會隨著角度發生改變。最近，何林課題組系統研究了雙層轉角石墨烯結構隨著角度的演化，發現當轉角大于魔角時，體系可以看作兩個獨立的剛性石墨烯層發生扭轉，層內晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構結構）；當轉角小于魔角時，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導，從而引起晶格畸變產生堆垛的疇界（domain wall）網格（定義為重構結構）。這種疇界的兩邊都是Bernal堆垛的雙層石墨烯（分別為AB堆垛和BA堆垛），能傳輸谷極化的電流（圖一）。我們利用STM證明非重構和重構的兩種結構在魔角附近都能穩定存在。進一步，我們發現利用STM針尖脈沖可對魔角雙層石墨烯的非重構和重構結構進行切換，從而開關其二維導電拓撲網格。同時，我們發現在強關聯效應中起到重要作用的魔角雙層石墨烯平帶的帶寬也能在這一過程中被調控[9]。相關成果近日刊發在物理學期刊《Physical Review Letters》上。何林教授課題組博士生劉亦文為第一作者，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的蘇贏博士為文章的共同第一作者，何林教授為通訊作者。

層間轉角在層狀堆垛的二維材料體系中提供了一個全新的自由度來調控其結構與性質。近幾年，相關方面的研究引起了廣泛的關注。早在2012年，何林課題組就開始關注轉角對雙層石墨烯結構和電學性質的影響，測量了不同轉角雙層石墨烯的兩個范霍夫峰的峰間距能量與轉角大小的關系[1]，并預言該體系中的準粒子具有可調控的手征性[2]，研究了應變結構在該體系產生的贗磁場和贗朗道能級[3]。2015年，何林團隊發現雙層轉角石墨烯體系費米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉角為1.1度(第一魔轉角)附近時費米速度降為零[4]，并于2017年，在轉角接近魔轉角的雙層石墨烯體系觀察到強電子-電子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo課題組在魔角雙層石墨烯觀察到電子-電子相互作用導致的關聯絕緣體態和超導態，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過去兩年凝聚態物理研究的最大熱點。 近期，何林課題組發展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統（STM）研究的雙層轉角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導致的平帶簡并度解除和新奇強關聯量子物態的關聯。例如，何林課題組與合作者發現當小轉角體系的平帶被部分填充時，電子-電子相互作用會解除平帶的谷贗自旋簡并度，在體系中產生很大的軌道磁矩（每個莫爾約10μ_B），由于軌道磁矩和磁場的耦合，谷極化態的劈裂能量會隨著外加磁場線性增大[6]。同樣的結果也在應變引起的平帶中觀察到了，當雙層石墨烯的轉角接近魔角時，體系中微小的應變結構可以使兩個范霍夫峰之間出現一個新的零能量平帶（贗朗道能級），何林課題組與合作者發現電子-電子相互作用會解除贗朗道能級的谷贗自旋簡并度，產生軌道磁性態[7]。這些結果表明小轉角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態和量子反常霍爾效應的理想平臺。在角度大于魔角的小轉角雙層石墨烯中，何林課題組與合作者證明電子-電子相互作用依然會起重要作用，并有可能產生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強關聯量子物態。例如在1.49度的樣品中，他們證明電子-電子相互作用解除了體系平帶中的自旋和谷贗自旋的簡并度，產生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態[8]，這一結果進一步拓寬了轉角體系新奇強關聯量子物態的研究范圍。 除了電學性質受層間轉角的調制，在雙層轉角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內晶格畸變引起的應變能的競爭，其原子結構也會隨著角度發生改變。最近，何林課題組系統研究了雙層轉角石墨烯結構隨著角度的演化，發現當轉角大于魔角時，體系可以看作兩個獨立的剛性石墨烯層發生扭轉，層內晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構結構）；當轉角小于魔角時，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導，從而引起晶格畸變產生堆垛的疇界（domain wall）網格（定義為重構結構）。這種疇界的兩邊都是Bernal堆垛的雙層石墨烯（分別為AB堆垛和BA堆垛），能傳輸谷極化的電流（圖一）。我們利用STM證明非重構和重構的兩種結構在魔角附近都能穩定存在。進一步，我們發現利用STM針尖脈沖可對魔角雙層石墨烯的非重構和重構結構進行切換，從而開關其二維導電拓撲網格。同時，我們發現在強關聯效應中起到重要作用的魔角雙層石墨烯平帶的帶寬也能在這一過程中被調控[9]。相關成果近日刊發在物理學期刊《Physical Review Letters》上。何林教授課題組博士生劉亦文為第一作者，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的蘇贏博士為文章的共同第一作者，何林教授為通訊作者。