科学家揭秘魔角石墨烯中的二阶超晶格，光电压调制新发现！

【研究背景】

随着二维材料研究的快速发展，石墨烯和氮化硼等材料在超晶格结构和相关现象中的应用引起了广泛关注。特别是魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）由于其在电子相关现象中的独特表现，成为了研究的热点。MATBG中的莫尔超晶格效应可以引发一系列新奇的电子行为，如强关联相、异常霍尔效应和铁电性等，这些都在推动着该领域的前沿探索。然而，尽管在理论和实验上都取得了一些进展，仍存在许多未解之谜。例如，二阶超晶格（SOSL）的实际分布及其对MATBG物理性质的具体影响仍然不清楚。

二阶超晶格是由具有相似周期性的莫尔超晶格之间的干涉所形成的，其周期性远大于单一的一阶超晶格。这种二阶结构在调节二维材料的电子性质方面具有潜在的应用价值。然而，现有的实验技术主要集中在局部尺度的成像，如扫描隧道显微镜，仅能提供纳米级区域的局部信息，而对二阶超晶格在中尺度上的实际分布和影响的了解仍然有限。此外，超晶格的应变和扭转角度的变化对其结构和物理性质的影响也没有得到充分研究。

为了解决这些问题，西班牙巴塞罗那科学技术学院（The Barcelona Institute of Science and Technology）Petr Stepanov & Frank H. L. Koppens等携手采用了低温下的纳米尺度光电压测量技术，揭示了魔角扭曲双层石墨烯中与氮化硼紧密对齐的二阶超晶格。通过在红外激光照射下对电子输运进行精细探测，作者能够在远低于衍射极限的尺度上观察到SOSL的实际分布。

实验结果显示，即使是微小的应变和扭转角度变化（小至0.01°）也能导致SOSL结构的显著变化。这些观测结果不仅验证了二阶超晶格的存在，而且为理解其对MATBG中平带物理的影响提供了新的视角。作者的研究通过提供二阶超晶格在实际应用中的可视化，为深入理解和调控二维材料中的奇异量子相提供了重要的实验数据和理论依据。

【表征发现】

1. 实验首次在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中揭示了与氮化硼（hBN）对齐的二阶超晶格（SOSL）。通过电子输运测量和低温纳米尺度光电压测量，研究团队成功地在实空间中观测到二阶超晶格的存在，并且验证了其长程周期性光电压调制的特征。

2. 实验通过低温近场光电测量技术，展示了SOSL的两组空间条纹，这些条纹与底层石墨烯和hBN对齐的第一阶超晶格干涉形成的SOSL相对应。结果表明，即使是极小的应变和扭转角度变化（小至0.01°）也会导致SOSL结构的显著变化。

3. 实验中观察到的SOSL的局部势变化对局部应变和扭转角度变化具有高度敏感性，这为探究扭曲双层石墨烯中的空间对称性破缺机制提供了新的视角。此外，SOSL的存在破坏了MATBG中的反演对称性，对平带物理具有重要影响。这些发现为理解石墨烯基莫尔异质结构中的奇异量子相以及结构特征对这些相的稳定性提供了重要信息。

【图文解读】

图1：温度T=10K时，双层魔角石墨烯magic-angle twisted bilayer graphene ，MATBG/六方氮化硼hBN 二阶超晶格second-order superlattice，SOSL的纳米级光电压测量。

图2. 实验观察到了光电压特征和反转对称性破缺的栅极和温度响应。

图3. 电子传输测量。

图4: 二阶超晶格性质的计算。

图5: 转角和应变大小函数的二阶超晶格SOSL实空间图。

【科学启迪】

本文的研究揭示了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）与氮化硼（hBN）对齐时形成的二阶超晶格（SOSL）的实空间可视化，展示了极小的应变和扭转角度变化对超晶格结构的显著影响。通过低温纳米尺度光电压测量，研究者不仅确认了SOSL的存在，还展示了该结构对局部应变和扭转角度变化的高度敏感性。这一发现为理解二维材料中奇异量子相的形成机制提供了新的视角。实验中，利用金属涂层的AFM探针和红外光照射，实现了对超晶格势的精确探测，并通过理论模型进一步解释了SOSL的形成和特性。这些结果不仅揭示了超晶格应变对超晶格势的深远影响，还为二维材料中的平带物理研究提供了重要的实验证据。未来的研究可以借助这些新发现进一步探索超晶格结构在量子计算和电子器件中的潜在应用，推动相关领域的技术进步和理论发展。

原文详情：Hesp, N.C.H., Batlle-Porro, S., Krishna Kumar, R. et al. Cryogenic nano-imaging of second-order moiré superlattices. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01993-y