魔角石墨烯中惊现长寿命同旋模式！

【研究背景】

随着魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）研究的深入，越来越多的相关现象被报道。这些现象包括传统的和奇异的多体相，这引起了广泛关注。在 MATBG 中，电子的同旋自由度——即自旋和谷——在相图中扮演了重要角色，尤其是在超导性往往出现在同旋转变的邻近区域。低温下，MATBG 在莫尔单元格的整数填充处报告了对称破缺的同旋相，但这些相的确切性质仍在积极探索中，候选状态包括多种自旋和谷极化态以及 IVC 状态。然而，高于 5 K 的温度下，长程同旋序预计会熔化，但接近整数填充的级联特征在压缩性和化学势测量中仍可持续到数十开尔文，这种行为通常被解释为低温同旋序的母体相关态特征，源于短程同旋关联。

一个重要问题是这些同旋序对系统动态的影响。虽然有研究提出同旋软模式可能作为超导性的配对胶水，并在高温下对电子传输中的大电子熵有贡献，但同旋序通常具有难以耦合的奇特序参量，使得敏感性测量具有挑战性。非平衡动态提供了探测这些物理现象的有前景途径，通过检查同旋序之间的瞬态动态和集体激发的阻尼，作者可以在不直接耦合到序参量的情况下获取能量景观的平坦度和软同旋模式的关键特性。然而，由于缺乏合适的超快探测手段，平带石墨烯系统的同旋动态在实验中尚未得到探索。

为了解决这一问题，加利福尼亚大学圣芭芭拉分校Chenhao Jin（金辰皓）教授团队结合了激子感测和光学泵浦-探测光谱技术，对 MATBG 与 WSe2 基底之间的同旋序动态进行了亚皮秒分辨率的研究。作者观察到在广泛的填充范围内（尤其是 ν = 2 附近和 ν = −3 与 −2 之间），同旋动态表现出异常缓慢的特性，寿命长达 300 ps，明显解耦于电子温度的快速冷却（约 10 ps）。这种非热行为表明存在异常长寿命的同旋模式，这超出了理论预期，暗示了长程传播的集体模式、强烈的同旋波动和记忆效应，可能与间谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基态有关。此外，作者还展示了对整数填充处同旋序的非平衡控制，通过超快操控可以瞬时偏离整数填充。这项研究不仅提供了 MATBG 中集体激发的独特探测方法，还为主动控制莫尔系统中的非平衡现象铺平了道路。

【表征亮点】

1. 实验首次结合了激子感测和光学泵浦-探测光谱技术，以亚皮秒分辨率研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中同旋序的动态。通过在 WSe2 基底上进行的实验，研究团队获得了有关同旋序的详细动态数据。

2. 实验发现，在 ν = 2 附近和 ν = −3 与 −2 之间的广泛填充范围内，同旋动态表现出异常缓慢的寿命，最长可达 300 ps。这一现象与电子温度的快速冷却（约 10 ps）显著解耦，表明同旋自由度中存在长寿命的模式。这种非热行为显示了异常长寿命的集体模式，并暗示了长程传播的集体模式、强烈的同旋波动和记忆效应，可能与间谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基态相关。

3. 进一步的实验显示，通过超快操控可以在短暂时间内将同旋序从整数填充状态偏移。这项研究提供了 MATBG 中集体激发的独特探测手段，并为主动控制莫尔系统中的非平衡现象开辟了新途径。

【图文速递】

图1： MATBG中激子感测的同旋序和动态。

图2. MATBG中的填充依赖动态。

图3. 电荷和同旋动态之间的解耦。

图4. 级联特性的超快操控。

【科学启迪】

本文的研究揭示了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中同旋序的动态特性，为理解其相关物理现象提供了新的视角。作者通过激子感测和光学泵浦-探测光谱技术，首次观测到在 ν = 2 附近及 ν = −3 与 −2 之间的广泛填充范围内，同旋动态具有异常长的寿命（高达 300 ps），这一现象与电子温度的快速冷却（约 10 ps）显著解耦。这种非热行为表明同旋自由度中存在长寿命模式，暗示了长程传播的集体模式、强烈的同旋波动和记忆效应，可能与间谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基态相关。

这一发现不仅挑战了现有理论预期，还展示了对同旋序的非平衡控制能力，通过超快操控实现了同旋序的瞬时偏移。这表明作者可以在莫尔系统中主动调控非平衡现象，为探索和操控平带系统中的集体激发开辟了新的途径。这些成果有助于深入理解 MATBG 中的电子相关性和拓扑特性，并推动相关领域的研究进展。

参考文献：Xie, T., Xu, S., Dong, Z. et al. Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07880-5