加州大学魔角扭曲双层石墨烯最新Nature！

近年来，魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)成为工程相关现象的研究平台，许多相关的多体相，包括传统的和奇异的，已经在魔角扭曲双层石墨烯中被报道。然而，与这些相关状态相关的动力学，对于理解潜在的物理至关重要，仍然没有被探索。电子自旋自由度和电子谷在MATBG的相图中起着重要的作用，超导性经常出现在同位旋跃迁附近。丰富多样的同位旋序提供了一个独特的机会来探索电子关联和拓扑之间的相互作用。在低温下，MATBG中在莫尔晶胞的整数填充处报道了对称性破缺的同位旋相。它们的确切性质正在积极研究中，候选序包括多种类型的自旋和谷极化态以及IVC态。在T > 5 K的高温下，长程同位旋序预计会熔化。在可压缩性和化学势测量中，发现在整数填充附近的级联特征可以持续到几十开尔文。这种令人费解的行为通常被解释为低温同位旋序的母体相关状态的标志，这是由于短程同位旋相关而产生的。

这些发现提出的一个重要问题是同位旋序对系统动力学的影响。有人提出，同位旋软模式可以为超导性提供配对胶，并有助于在高温下输运时产生较大的电子熵。然而，同位旋序通常具有难以耦合的奇异序参数，使得磁化率测量具有挑战性。非平衡动力学为探索这一物理现象提供了一个有希望的替代途径。通过考察同位旋序与集体激励阻尼之间的瞬态动力学，可以在不直接耦合序参数的情况下，获得能量格局的平坦性和软同位旋模的关键特性。然而，由于缺乏合适的超快探针，平带石墨烯体系的同位旋动力学仍未在实验中得到探索。现有的技术如时间分辨光电压只对电子温度敏感，而对同位旋自由度不敏感。

近日，加州大学圣塔巴巴拉分校金辰皓教授团队等人在Nature上发表了题为“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”的文章，该项研究结合激子传感和光泵浦探测光谱来研究MATBG体系的同位自旋序，对WSe₂载体上的MATBG在穿过整个平台的过程中的自旋序变化情况进行表征，分辨率可达到亚皮秒。观测发现，在比较宽的填充范围内（ν = 2以及ν = −3 ~−2之间），同位自旋序基本上不变，寿命高达300 ps，与电子温度更快的冷却(约10 ps)分离。自旋序的这种非热力学行为表明同位自旋自由度存在异常的长寿命模式。这个发现是理论并没有预料到的现象，这说明MATBG中有可能存在一种集体形式的长程自旋传播模式，以及强烈的同位自旋波动以及记忆效应，这些效应有可能与谷间相干态或者理论上的非公度Kekulé螺旋序有关。此外，该项研究进一步证明了先前在整数填充周围发现的同位旋序的非平衡控制。具体来说，通过超快操作，它可以暂时远离整数填充。该项研究展示了MATBG中集体激励的独特探索，并为主动控制摩尔系统中的非平衡现象铺平了道路。

图1 MATBG中同位旋序和动力学的激子传感© 2024 Springer Nature

图2 MATBG中的填充依赖动力学© 2024 Springer Nature

图3电荷与同位旋动力学之间的解耦© 2024 Springer Nature

图4级联特性的超快操作© 2024 Springer Nature

将该研究方法扩展到其他平面带石墨烯系统是很自然的，包括莫尔石墨烯和非莫尔石墨烯。这样做将有助于进一步解释准粒子寿命、集体激发和相关阶数之间的联系。除了同位旋动力学外，该项研究确定的载流子弛豫动力学和填充依赖的声子瓶颈为MATBG中电子-声子耦合强度和电子-空穴不对称性提供了直接测量。创建瞬态非热载流子分布和相关阶数的能力为超快控制先前研究的相关态和创建新的有序态提供了机会。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07880-5