魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）是一種新興的材料系統(tǒng)，因其在調(diào)控相關(guān)現(xiàn)象方面的巨大潛力而成為研究熱點(diǎn)。尤其是，MATBG 中的電子同旋自由度——包括自旋和谷——在相圖中扮演著重要角色，超導(dǎo)性通常出現(xiàn)在同旋轉(zhuǎn)變的鄰近區(qū)域。然而，MATBG 的相關(guān)態(tài)動(dòng)態(tài)仍未被充分探索，尤其是同旋序的具體性質(zhì)和行為存在諸多挑戰(zhàn)。

       同旋序的動(dòng)態(tài)對于理解其物理機(jī)制至關(guān)重要，但現(xiàn)有的研究大多集中于靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)行為的探討相對不足。為了解決這一問題，加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校Chenhao Jin（金辰皓）教授合作在Nature期刊上發(fā)表了題為“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”的論文。

       科學(xué)家們采用了激子感測和光學(xué)泵浦-探測光譜技術(shù)，以亞皮秒的分辨率研究了 MATBG 中的同旋序動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在 ν?=?2 附近及 ν?=??3 和 ?2 之間的廣泛填充范圍內(nèi)，同旋動(dòng)態(tài)異常緩慢，壽命可達(dá) 300 ps，這與電子溫度的快速冷卻顯著解耦。這種非熱行為揭示了同旋自由度中存在異常長壽命的模式，可能與間谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基態(tài)有關(guān)。此外，研究還展示了對同旋序的非平衡控制能力，通過超快操控可以瞬時(shí)地偏離整數(shù)填充。

       資料顯示，Chenhao Jin（金辰皓）是北京大學(xué)校友，并以第一作者身份發(fā)表過Nature文章。
       研究亮點(diǎn)

       1. 實(shí)驗(yàn)首次探測到 在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中，通過激子感測和光學(xué)泵浦-探測光譜技術(shù)獲得了亞皮秒分辨率的同旋序動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。這一實(shí)驗(yàn)揭示了同旋動(dòng)態(tài)在廣泛填充范圍內(nèi)的特征，包括 ν?=?2 和 ν?=??3 至 ?2 的區(qū)域。

       2. 實(shí)驗(yàn)通過 結(jié)合激子感測和光學(xué)泵浦-探測光譜技術(shù)，觀察到同旋動(dòng)態(tài)的顯著緩慢，壽命長達(dá) 300 ps，與電子溫度的快速冷卻（約 10 ps）明顯解耦。這種非熱行為表明了同旋自由度中存在異常長壽命的模式，暗示了長程傳播的集體模式、強(qiáng)烈的同旋波動(dòng)和記憶效應(yīng)。此結(jié)果未被理論預(yù)期，可能與間谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基態(tài)相關(guān)。

       3. 此外，通過超快操控，研究展示了對同旋序的非平衡控制能力，使其在整數(shù)填充處瞬時(shí)偏離。這一發(fā)現(xiàn)不僅展示了對 MATBG 中集體激發(fā)的獨(dú)特探測方法，還為在莫爾系統(tǒng)中主動(dòng)控制非平衡現(xiàn)象提供了新的路徑。

圖1. MATBG中激子感測的同旋序和動(dòng)態(tài)。

圖2. MATBG中的填充依賴動(dòng)態(tài)。

圖3. 電荷和同旋動(dòng)態(tài)之間的解耦。

圖4. 級聯(lián)特性的超快操控。

       結(jié)論展望

       本文揭示了魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中同旋序的異常動(dòng)態(tài)特征，為研究相關(guān)現(xiàn)象提供了新的視角。通過結(jié)合激子感測和光學(xué)泵浦-探測光譜技術(shù)，我們觀察到在寬泛的填充范圍內(nèi)，同旋動(dòng)態(tài)異常緩慢，壽命可達(dá) 300 ps，與電子溫度的快速冷卻顯著解耦。這種非熱行為表明同旋自由度中存在異常長壽命的模式，提示可能存在長程傳播的集體模式、強(qiáng)烈的同旋波動(dòng)及記憶效應(yīng)，這可能與間谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基態(tài)相關(guān)。

       這一發(fā)現(xiàn)超出了理論預(yù)期，揭示了同旋序在 MATBG 中的復(fù)雜行為，為理解該系統(tǒng)中的集體激發(fā)提供了新的依據(jù)。進(jìn)一步地，通過超快操控技術(shù)，我們能夠?qū)ν蜻M(jìn)行非平衡控制，展示了在莫爾系統(tǒng)中主動(dòng)調(diào)控非平衡現(xiàn)象的潛力。這項(xiàng)研究不僅豐富了對 MATBG 中相關(guān)態(tài)動(dòng)態(tài)的理解，也為未來在莫爾材料中的非平衡物理學(xué)研究開辟了新的方向。

       原文信息：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