層間轉(zhuǎn)角在層狀堆垛的二維材料體系中提供了一個(gè)全新的自由度來(lái)調(diào)控其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。近幾年，相關(guān)方面的研究引起了廣泛的關(guān)注。早在2012年，何林課題組就開(kāi)始關(guān)注轉(zhuǎn)角對(duì)雙層石墨烯結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響，測(cè)量了不同轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的兩個(gè)范霍夫峰的峰間距能量與轉(zhuǎn)角大小的關(guān)系[1]，并預(yù)言該體系中的準(zhǔn)粒子具有可調(diào)控的手征性[2]，研究了應(yīng)變結(jié)構(gòu)在該體系產(chǎn)生的贗磁場(chǎng)和贗朗道能級(jí)[3]。2015年，何林團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系費(fèi)米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉(zhuǎn)角為1.1度(第一魔轉(zhuǎn)角)附近時(shí)費(fèi)米速度降為零[4]，并于2017年，在轉(zhuǎn)角接近魔轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯體系觀察到強(qiáng)電子-電子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo課題組在魔角雙層石墨烯觀察到電子-電子相互作用導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)絕緣體態(tài)和超導(dǎo)態(tài)，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過(guò)去兩年凝聚態(tài)物理研究的最大熱點(diǎn)。 近期，何林課題組發(fā)展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)（STM）研究的雙層轉(zhuǎn)角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質(zhì)，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導(dǎo)致的平帶簡(jiǎn)并度解除和新奇強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物態(tài)的關(guān)聯(lián)。例如，何林課題組與合作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)小轉(zhuǎn)角體系的平帶被部分填充時(shí)，電子-電子相互作用會(huì)解除平帶的谷贗自旋簡(jiǎn)并度，在體系中產(chǎn)生很大的軌道磁矩（每個(gè)莫爾約10μ_B），由于軌道磁矩和磁場(chǎng)的耦合，谷極化態(tài)的劈裂能量會(huì)隨著外加磁場(chǎng)線性增大[6]。同樣的結(jié)果也在應(yīng)變引起的平帶中觀察到了，當(dāng)雙層石墨烯的轉(zhuǎn)角接近魔角時(shí)，體系中微小的應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以使兩個(gè)范霍夫峰之間出現(xiàn)一個(gè)新的零能量平帶（贗朗道能級(jí)），何林課題組與合作者發(fā)現(xiàn)電子-電子相互作用會(huì)解除贗朗道能級(jí)的谷贗自旋簡(jiǎn)并度，產(chǎn)生軌道磁性態(tài)[7]。這些結(jié)果表明小轉(zhuǎn)角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態(tài)和量子反常霍爾效應(yīng)的理想平臺(tái)。在角度大于魔角的小轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中，何林課題組與合作者證明電子-電子相互作用依然會(huì)起重要作用，并有可能產(chǎn)生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物態(tài)。例如在1.49度的樣品中，他們證明電子-電子相互作用解除了體系平帶中的自旋和谷贗自旋的簡(jiǎn)并度，產(chǎn)生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態(tài)[8]，這一結(jié)果進(jìn)一步拓寬了轉(zhuǎn)角體系新奇強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物態(tài)的研究范圍。 除了電學(xué)性質(zhì)受層間轉(zhuǎn)角的調(diào)制，在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內(nèi)晶格畸變引起的應(yīng)變能的競(jìng)爭(zhēng)，其原子結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著角度發(fā)生改變。最近，何林課題組系統(tǒng)研究了雙層轉(zhuǎn)角石墨烯結(jié)構(gòu)隨著角度的演化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)角大于魔角時(shí)，體系可以看作兩個(gè)獨(dú)立的剛性石墨烯層發(fā)生扭轉(zhuǎn)，層內(nèi)晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構(gòu)結(jié)構(gòu)）；當(dāng)轉(zhuǎn)角小于魔角時(shí)，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導(dǎo)，從而引起晶格畸變產(chǎn)生堆垛的疇界（domain wall）網(wǎng)格（定義為重構(gòu)結(jié)構(gòu)）。這種疇界的兩邊都是Bernal堆垛的雙層石墨烯（分別為AB堆垛和BA堆垛），能傳輸谷極化的電流（圖一）。我們利用STM證明非重構(gòu)和重構(gòu)的兩種結(jié)構(gòu)在魔角附近都能穩(wěn)定存在。進(jìn)一步，我們發(fā)現(xiàn)利用STM針尖脈沖可對(duì)魔角雙層石墨烯的非重構(gòu)和重構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換，從而開(kāi)關(guān)其二維導(dǎo)電拓?fù)渚W(wǎng)格。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)中起到重要作用的魔角雙層石墨烯平帶的帶寬也能在這一過(guò)程中被調(diào)控[9]。相關(guān)成果近日刊發(fā)在物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》上。何林教授課題組博士生劉亦文為第一作者，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的蘇贏博士為文章的共同第一作者，何林教授為通訊作者。