魔角扭曲双层石墨烯中涌现局域磁矩的热电势探测

近日，由印度、日本、美国科研人员组成的研究团队在《Nature Physics》上发表了一篇关于魔角扭曲双层石墨烯（MATBLG）中热电势探测局部磁矩的研究论文。文章通过热电势测量揭示了MATBLG中由于强电子相关效应而产生的局部磁矩，并探讨了这些磁矩对热电势的影响。

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背景知识

魔角扭曲双层石墨烯（MATBLG）：当两层石墨烯以大约1.1°的“魔角”扭曲时，会形成具有极平带（flat bands）的超晶格结构，这使得电子动能远小于库仑相互作用，从而导致强电子相关效应。

强相关电子系统：在MATBLG中观察到多种强相关现象，如超导性、相关Mott绝缘体、轨道铁磁性等，这些现象与局部磁矩的存在有关。

研究方法

热电势测量：研究者们使用热电势作为一种全球输运探测手段，通过测量热电势随填充因子（ν）和温度（T）的变化，来研究MATBLG中的局部磁矩。

实验装置：实验中使用了封装在六方氮化硼（hBN）中的TBLG器件，通过Si/SiO₂或石墨背栅控制载流子密度。热电势测量采用2ω锁定技术，并结合Johnson噪声测温法来确定温度梯度。

理论模型：研究者们使用了包括动态平均场理论（DMFT）和原子极限模型在内的多种理论模型来解释实验结果。

实验结果

热电势的符号变化：在MATBLG中，除了在Dirac点（ν=0）和带完全填充（ν=±4）处观察到热电势的符号变化外，还在四分之一带填充（ν≈±1）附近观察到符号变化，这些变化在5K到60K的温度范围内保持不变。

磁场效应：施加磁场会减少热电势，这与在部分自旋极化下层状氧化物中观察到的自旋熵抑制一致。

与弱相关系统的对比：在弱相关的TBLG器件中，热电势的交叉点会随着温度变化而变化，这与MATBLG中观察到的稳健交叉点形成对比。

关键结论

强相关效应的证据：实验观察到的稳健交叉点和磁场效应不能仅用带费米子的贡献来解释，而是暗示了强相关平带中局部磁矩的主导贡献。

局部磁矩的影响：研究结果表明，在强相关 regime 下，局部磁矩对热电势有显著影响，这为理解MATBLG中的电子相互作用提供了重要线索。

理论模型的验证：DMFT和原子极限模型成功地捕捉到了实验中观察到的稳健交叉点，支持了强相关效应的存在。

研究意义

对凝聚态物理的贡献：这项研究为理解强相关电子系统中的局部磁矩及其对输运性质的影响提供了新的见解。

对热电设备的启示：通过利用MATBLG中独特的平带特性，可能为设计新型热电设备提供新的思路。

研究限制与未来方向

轨道和谷效应的理解：文章指出，为了更清晰地理解系统并设计新方法来区分这些贡献，需要进一步研究轨道和谷效应。

磁场影响的进一步研究：磁场对热电势的影响及其与局部磁矩的联系需要进一步的实验和理论探索。

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