魔角石墨烯又登Science！太强了！

摩尔超晶格（Moiré superlattices）最近已经成为研究相关物理学和超导性的平台，具有前所未有的可调节性。尽管在其他几个摩尔系统中也观察到了相关效应，但魔角扭曲双层石墨烯仍然是一种可重复测量到强超导性的石墨烯。

　　2021年2月1日，天才少年曹原在Nature上发表了文章，魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)中发现了摩尔超导，其电子结构和超导性能的可调性优于魔角扭曲双层石墨烯。

2021年2月4日，哈佛大学Philip Kim在Science发表文章，Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene，即交变扭曲魔角三层石墨烯中的电场可调超导。相比于曹原的Nature（发现了魔角扭曲三层石墨烯中的摩尔超导），本文直接利用电场对超导进行了调节。

2022年4月7日，Science再次报道在魔角扭曲三层石墨烯的重要进展，通讯作者是哥伦比亚大学物理系的Abhay N. Pasupathy教授。使用扫描隧道显微镜仔细检查堆叠结构。他们发现，顶层和底层之间的小错位导致晶格重新排列成三角形域的模式。这些域具有神奇的魔角扭曲三层结构，并由线和点缺陷网络隔开。

在预测扭曲三层石墨烯（TTG）的魔角后，很快就观测到了超导性和场依赖性量子干涉。这组属性使TTG成为魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）之外表现出超导过渡和宏观量子相位相干特征的摩尔异质结构。由于TTG和MATBG具有双重旋转对称性C2z的独特属性，因此有人提出，这种对称性对于建立扭曲石墨烯的超导性至关重要。

　　TTG的超导性似乎比MATBG更强，一代器件的临界温度（Tc）高达2.9 K。这导致人们猜测，魔角TTG在结构上比MATBG更稳定，将实验器件锁定在具有关键C2z对称性的镜像对称配置中。理论工作提出了镜像对称构型的几个奇异阶，包括自发味对称破缺、向列型超导和自旋三重态配对。然而，到目前为止，关于这种材料的原子或电子结构的实验信息很少；即使是超导器件拥有理论预测所依据的镜像对称堆叠的最基本假设，也没有直接的实验证实。

　　作者使用超高真空扫描隧道显微镜和光谱（STM/S）在4.8至7.2K的温度下进行原子尺度成像功能，直接表征魔角TTG的电子结构，并观察到了超导性。真正的三层样本经历了对摩尔晶格的强烈重建，该格将图层锁定为近魔角角度的镜像对称域，其大小与超导相干长度相当。这种弛豫引入了一系列局部扭转角断层，称为扭转断层和摩尔孤子，其电子结构与背景区域严重偏差，导致依赖掺杂的空间颗粒电子景观。在输运测量中观察到超导的掺杂中，费米能级的态密度是均匀大化的。

图文详情

图1. STM观测扭曲三层石墨烯

图2. 在1.55°时的STM图像和光谱

图3. 莫尔晶格重构

图4. 相关间隙和平带共振

原文链接：

Turkelet al., Orderly disorder in magic-angle twisted trilayer graphene. Science376, 193–199 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1895

信息来源：公众号【微算云平台】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。