二維材料研究導向來了！2020年上半年已發19篇NS！

作為二維材料老一輩網紅的石墨烯開啟了人們對二維材料的關注。目前二維材料已經是材料領域十分引人注目的研究方向，也是名副其實的頂刊收割機。這篇文章為大家整理了二維材料在2020上半年發表在Nature&Science上的19篇文章，一起來看看吧！

1.Nature:質子輔助生長超平石墨烯薄膜

通過化學氣相沉積法生長的石墨烯薄膜具有非凡的物理和化學性質，這在諸如柔性電子和高頻電晶體等應用中有望實現。但是，由於與基材的牢固結合，在生長過程中總是會形成皺紋，並且這些皺紋限制了薄膜的大規模均勻性。

南京大學高力波開發了一種質子輔助的化學氣相沉積方法來生長無皺的超脂石墨烯薄膜。這種質子滲透和重組形成氫的方法還可以減少在傳統的石墨烯化學氣相沉積過程中形成的皺紋。一些皺紋由於範德華相互作用的解耦而可能完全消失，並且可能與生長表面的距離增加了。生長的石墨烯薄膜的電子能帶結構顯示出V形的狄拉克錐和在原子平面內或跨原子臺階的線性色散關係，從而限制了與基板的去耦。石墨烯薄片的超脂特性確保其表面在溼轉移過程後易於清潔。即使在室溫下，線寬為100微米的設備中也會出現強大的量子霍爾效應。通過質子輔助化學氣相沉積法生長的石墨烯碎片應在很大程度上保留其固有性能，並且這種方法應易於推廣到用於應變和摻雜工程的其他納米材料。

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Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1870-3)

2.Nature:獨立式單層無定形碳的合成與性能

塊狀無定形材料已被廣泛研究並得到廣泛使用，但是它們的原子排列仍然是一個懸而未決的問題。儘管通常認為它們是Zachariasen連續隨機網絡，但最近的實驗證據在非晶矽的情況下更傾向於競爭微晶模型。但是，在二維材料中，相應的問題仍未得到解答。

新加披國立大學的Barbaros Ozyilmaz報導了通過雷射輔助化學氣相沉積法合成的釐米級，獨立式，連續且穩定的單層無定形碳的合成，其拓撲結構不同於無序石墨烯。與散裝材料不同，單層無定形碳的結構可以通過原子解析度成像確定。通過拉曼光譜和X射線光譜學以及透射電子顯微鏡的廣泛表徵表明，完全沒有長周期周期性，並且三鍵協調的結構沒有鍵長，鍵角以及五，六，七和八種分布成員環。環分布不是Zachariasen連續隨機網絡，而是類似於競爭（納米）晶體模型。根據觀察，作者構建了一個相應的模型，該模型能夠對單層無定形碳的性質進行密度泛函理論計算。直接測量證實它是絕緣的，其電阻率值類似於通過化學氣相沉積法生長的氮化硼的電阻率值。獨立的單層無定形碳出奇地穩定，並變形為高斷裂強度，而從斷裂點開始沒有裂紋擴展。這種穩定，獨立的單層無定形碳的出色物理性能可證明對磁記錄設備和柔性電子設備等應用中的滲透和擴散阻擋層有用。

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Synthesis and properties of free-standing monolayer amorphous carbon

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1871-2).

3.Nature:通過2D半導體6LiInP2Se6直接熱中子檢測

高效的中子探測器在許多領域至關重要，包括國家安全，醫學，晶體學和天文學。當前使用的主要中子檢測技術包括用於熱中子的氦氣比例計數器和閃爍器。半導體可以提供下一代中子探測器，因為它們的優勢可以使其與現有探測器競爭或優於現有探測器。具有高濃度的高中子俘獲核素（例如6Li，10B）的固體可用於開發具有高固有效率的較小探測器。但是，到目前為止，還沒有報導有希望的材料用於直接轉換半導體檢測器的構造。

美國西北大學的Mercouri G. Kanatzidis對半導體LiInP2Se6進行了報導，並展示了其作為直接檢測室溫下的熱中子的候選材料的潛力。該化合物具有良好的熱中子俘獲截面，合適的帶隙（2.06電子伏特）和有利的電子能帶結構，可有效地傳輸電子。作者使用來自241Am來源的α粒子作為中子俘獲反應的替代物，並確定緊湊的二維（2D）LiInP2Se6檢測器分辨出了全能量峰，能量解析度為13.9％。使用富含6Li（95％）的LiInP2Se6探測器並具有全峰解析度，可以從溫和的Pu-Be來源直接中子探測。我們預計這些結果將引起人們的關注，並能夠用基於半導體的中子探測器取代3He計數器。

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Direct thermal neutron detection by the 2D semiconductor 6LiInP2Se6.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1886-8)

4.Nature:非範德華固體轉化為2D過渡金屬硫屬元素化物

儘管已經使用諸如剝落和氣相生長等技術廣泛合成了二維（2D）原子層，例如過渡金屬硫屬元素化物，但獲得相控2D結構仍然具有挑戰性。

北京航空航天大學的楊樹斌和萊斯大學的Pulickel M. Ajayan通過逐步將非範德華（non-vdW）固體轉變為具有2H（三角形稜柱）/1T（八面體）相的2d vdW過渡金屬硫屬化物層，證明了一種有效的合成策略。通過將非vdW固體暴露於硫屬元素蒸氣中而實現的轉化，可以使用反應產物的焓和蒸氣壓來控制。雜原子取代的（例如釔和磷）過渡金屬硫族化物也可以通過這種方式合成，從而使通用的合成方法能夠工程化選擇的2D過渡金屬硫族化物結構，並在高溫下（高達1,373開爾文）具有良好的穩定性。並實現單層的高通量生產。作者預計這些二維過渡金屬硫族化物將在電子，催化和能量存儲方面具有廣泛的應用。

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Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1904-x)

5.Nature:自下而上的快速大量石墨烯合成

大多數塊狀石墨烯是通過自頂向下的方法生產的，將石墨剝落，而石墨通常需要大量的溶劑才能進行高能混合，剪切，超聲處理或電化學處理。儘管將石墨化學氧化為氧化石墨烯可促進剝離，但它需要苛刻的氧化劑，並在隨後的還原步驟後使石墨烯具有缺陷的穿孔結構。如果通過化學氣相沉積或先進的合成有機方法進行，則自下而上的高質量石墨烯合成通常會被限制為超少量，或者如果在本體溶液中進行，則其將提供缺陷密集的結構。

萊斯大學的Rouzbeh Shahsavari和James M. Tour證明了對廉價碳源（例如煤，石油焦，生物炭，炭黑，廢棄食品，橡膠輪胎和混合塑料廢料）進行的焦耳加熱可以在不到一秒鐘的時間內獲得克級的石墨烯。在用於生產石墨烯的過程之後，該產品命名為快速石墨烯（FG），在堆疊的石墨烯層之間顯示出渦輪層狀排列（即，很少有序）。FG合成不使用爐子，也不使用溶劑或反應性氣體。產量取決於來源的碳含量。當使用高碳源（例如炭黑，無煙煤或煅燒焦炭）時，收率範圍為80％至90％，碳純度大於99％。無需純化步驟。拉曼光譜分析表明，FG的強度低或不存在D譜帶，表明FG具有迄今報導的石墨烯缺陷濃度最低的缺陷濃度，並且限制了FG的渦輪層堆積，這明顯不同於渦輪層石墨。FG層的無序取向有助於其在複合材料形成過程中混合時快速脫落。FG合成的電能成本僅為每克7.2千焦耳，這使得FG適用於塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建築材料的散裝複合材料。

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Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-1938-0)

6.Nature:Cu(111)上的晶圓級單晶六方氮化硼六方氮化硼單層

超薄二維（2D）半導體層狀材料為擴展摩爾定律在集成電路中的電晶體數量提供了巨大的潛力。2D半導體的一個主要挑戰是避免從相鄰的電介質形成電荷散射和捕獲位點。六方氮化硼（hBN）的絕緣範德華層提供了出色的界面電介質，有效地減少了電荷散射。最近的研究表明，熔融金表面或塊狀銅箔上單晶hBN薄膜的生長。然而，由於熔融金的高成本，交叉汙染以及過程控制和可擴展性的潛在問題，因此不被工業所青睞。銅箔可能適用於卷對卷工藝，但不太可能與晶圓上的先進微電子製造兼容。因此，可靠的直接在晶圓上生長單晶hBN薄膜的方法將有助於在工業中廣泛採用2D層材料。先前在Cu（111）金屬上生長hBN單層的嘗試未能實現單向，當這些層合併成薄膜時會導致有害的晶界。人們甚至認為從理論上講，在諸如Cu（111）這樣的高對稱性表面上生長單晶hBN是不可能的。

臺積電、臺灣國立交通大學和美國萊斯大學的研究人員報導了在兩英寸c面藍寶石晶片上的Cu（111）薄膜上成功完成了單晶hBN單層的外延生長。第一性原理計算結果證實了這一令人驚訝的結果，表明通過hBN橫向對接至Cu（111）步驟可增強外延生長，從而確保hBN單層的單向性。所獲得的單晶hBN在底柵結構中作為二硫化鉬和二氧化ha之間的界面層併入，提高了電晶體的電性能。這種生產晶圓級單晶hBN的可靠方法為將來的2D電子學鋪平了道路。

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Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu(111).

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2009-2)

7.Science:莫爾異質結構中的本徵量化異常霍爾效應

量子異常霍爾（QAH）效應結合了拓撲結構和磁性，可在零磁場下產生精確量化的霍爾電阻。加州大學聖巴巴拉分校的A. F. Young報導了在扭曲的雙層石墨烯對準六方氮化硼中QAH效應的觀察。該效應是由固有的強相互作用驅動的，該相互作用將電子極化為Chern數C=1的單個自旋和谷分辨莫爾微帶。與磁摻雜系統相比，所測量的輸運能隙大於居裡溫度以實現磁有序化，並且在零磁場下，量化到von Klitzing常數的0.1％以內的情況持續到幾個開爾文的溫度。小至1 nA的電流可控制地在相反極化狀態之間切換磁階，從而形成可電重寫的磁存儲器。

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Intrinsic quantized anomalous Hall effect in a moiré heterostructure.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aay5533)

8.Nature:具有2D材料神經網絡圖像傳感器的超快機器視覺

機器視覺技術在近年來取得了長足的進步，並已成為各種智能系統（包括自動駕駛汽車和機器人技術）的組成部分。通常，視覺信息由基於幀的相機捕獲，然後轉換為數字格式，然後使用諸如人工神經網絡（ANN）的機器學習算法進行處理。但是，通過整個信號鏈的大量（大部分是冗餘的）數據會導致低幀速率和高功耗。因此已經開發了各種視覺數據預處理技術以提高ANN中後續信號處理的效率。維也納工業大學的Lukas Mennel和Thomas Mueller證明了圖像傳感器本身可以構成一個ANN，它可以同時感測和處理光學圖像而沒有延遲。這個設備基於可重構的二維（2D）半導體光電二極體陣列，網絡的突觸權重存儲在連續可調的光響應矩陣中。文章展示了有監督和無監督的學習方法，並訓練傳感器對光學投影到晶片上的圖像進行分類和編碼，處理能力為每秒2000萬個倉位。

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Ultrafast machine vision with 2D material neural network image sensors.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2038-x)

9.Nature:莫爾超晶格中可調諧的相關Chern絕緣子和鐵磁性

在強磁場中對二維電子系統的研究表明，量子霍爾效應是一種物質的拓撲狀態，具有有限的Chern數C和手性邊緣態。霍爾丹後來理論認為，即使在零磁場下，具有整數量子霍爾效應的Chern絕緣子也可能出現在具有複雜跳變參數的晶格模型中。ABC三層石墨烯/六方氮化硼（ABC-TLG / hBN）莫爾超晶格為探索Chern絕緣子提供了一個誘人的平臺，因為它具有接近脂肪的莫爾微帶，具有隨谷而定的電可調Chern數。

加州大學伯克利分校的王楓教授、史丹福大學David Goldhaber-Gordon和復旦大學的張遠波在ABC-TLG/hBN莫爾條紋超晶格中相關Chern絕緣子的實驗觀察。文章顯示，反轉施加的垂直電場強度的方向會在零和有限的Chern數之間切換ABC-TLG/hBN的莫爾條紋微帶，如磁傳輸行為的巨大變化所揭示。對於調整為具有有限Chern數的拓撲孔微帶，作者將重點放在四分之一顫動上，對應於每個摩爾紋單位單元一個孔。霍爾電阻在h/2e2處得到了很好的量化（其中h是普朗克常數，e是電子上的電荷），對於超過0.4特斯拉的磁場而言，這意味著C=2。相關的Chern絕緣子是鐵磁的，在零磁強時表現出明顯的磁滯現象和大的異常Hall信號。作者在零磁場下發現的C=2 Chern絕緣子應該會為發現相關的拓撲狀態（可能是拓撲激發）提供機會。

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Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2049-7)

10.Nature:石墨烯不透氣性的限制

儘管只有一個原子的厚度，但無缺陷的石墨烯被認為對所有氣體和液體都是完全不可滲透的。該結論是基於理論的，並得到了實驗的支持，這些實驗無法在每秒105至106個原子的檢出限內檢測出通過微米級膜的氣體滲透。武漢大學袁聲軍和英國曼徹斯特曼徹斯特大學A. K. Geim使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，文章顯示出無缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實驗高八到九個數量級。能夠辨別（但沒有觀察到）每小時只有幾個氦原子的滲透，並且此檢出限對所有測試的其他氣體（氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，k氣和氙氣）均有效，氫氣除外。氫顯示出明顯的滲透性，即使其分子大於氦且應經歷更高的能壘。令人費解的觀察結果歸因於一個兩階段過程，該過程涉及在催化活性石墨烯波紋處解離分子氫，然後以約1.0電子伏特的相對較低活化能將吸附的原子吹到石墨烯片的另一側，該值接近以前報導的質子運輸。這個工作為二維材料的不可滲透性提供了關鍵參考，並且從基本角度及其潛在應用方面而言非常重要。

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Limits on gas impermeability of graphene.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2070-x)

11.Nature:WSe2/WS2莫爾超晶格中的莫特和廣義Wigner晶體態

莫爾超晶格可用於工程化二維範德華異質結構中的強相關電子態，正如最近在魔角扭曲雙層石墨烯和ABC三層石墨烯/氮化硼莫爾超晶格中觀察到的相關絕緣和超導態所證明的那樣。過渡金屬二滷化矽莫爾異質結構因其強的光-質相互作用和大的自旋-軌道耦合而為研究相關的量子現象提供了另一個模型系統。然而，用傳統的運輸技術對該系統中相關絕緣狀態的實驗觀察是具有挑戰性的。

加州大學伯克利分校的王楓報導半導體WSe2/WS2莫爾超晶格中強相關相的光學檢測。作者使用一種靈敏的光學檢測技術，揭示了每個超晶格位置一個孔處的Mott絕緣子狀態，以及超晶格1/3和2/3彎曲處令人驚訝的絕緣相，作者將其分配給下層晶格上的廣義Wigner結晶。此外，過渡金屬二氫異氰酸酯異質結構的自旋谷光學選擇規則使我們能夠光學地創建和研究莫特絕緣子中低能激發的自旋態。作者在Mott絕緣狀態下測量了很長的微秒自旋弛豫壽命，比電荷激發的壽命長几個數量級。這個研究強調了使用超越石墨烯的莫爾超晶格來探索相關物理的價值。

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Mott and generalized Wigner crystal states in Wse2/WS2 moiré superlattices.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2092-4)

12.Nature:二維範德華力異質結構陣列的一般合成

二維範德華力異質結構（vdWH）引起了人們的極大興趣。但是，到目前為止，大多數報告的vdWH都是由艱巨的微機械剝落和手動重新堆疊過程創建的，儘管這種過程對於概念驗證演示和基礎研究來說是通用的，但顯然對於實際技術而言是不可擴展的。

湖南大學段曦東和加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒報導了在金屬過渡金屬二硫代雙胍（m-TMDs）和半導體TMD（s-TMDs）之間的二維vdWH陣列的一般合成策略。通過選擇性地對單層或雙層s-TMD上的成核位點進行構圖，作者可以在預定的空間位置以可設計的周期性排列和可調整的橫向尺寸精確控制各種m-TMD的成核和生長，從而產生一系列vdWH陣列，包括VSe2/WSe2，NiTe2/WSe2，CoTe2/WSe2，NbTe2/WSe2，VS2/WSe2，VSe2/MoS2和VSe2/WS2。系統掃描透射電子顯微鏡研究表明，近乎理想的vdW界面具有可廣泛調節的莫爾超晶格。藉助原子清潔的vdW接口，作者進一步證明了m-TMD作為底層WSe2的高度可靠的合成vdW觸點，具有出色的器件性能和良率，在雙層WSe2中提供了高達900微安/微米的高導通電流密度電晶體。這種多樣化的二維vdWH陣列的一般綜合為探索奇異物理提供了通用的材料平臺，並有望為高性能設備提供可擴展的途徑。

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General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2098-y)

13.Nature:莫爾異質結構中的強相關電子和混合激子

二維材料及其異質結構構成了研究相關電子狀態以及激子的多體物理學的有前途的平臺。在扭曲的石墨烯雙層上的傳輸測量結果顯示，存在許多相互纏結的電子相，包括莫特絕緣體，奇怪的金屬和超導體。然而，迄今仍未探索在光譜學中如此強的電子相關性的特徵。

ETH的Yuya Shimazaki和Atac Imamoglu提供的實驗顯示了如何通過流動電子動態篩選形成激子-極化子的激子，可以用作研究相互作用誘導的電子不可壓縮狀態的光譜工具。作者研究了二硒化鉬/六方氮化硼/二硒化鉬的異質結構，該結構表現出長的莫爾條紋超晶格，這一點由相干的空穴隧道介導的層間激子與三個層間激子共振相隔約五個毫電子伏特的相干空穴交叉避免。對於對應於最低摩爾紋子帶半躍的電子密度，我們觀察到強層偽自旋順磁性，這通過在施加小的垂直電場的情況下將全部（約1,500個）電子從一個二硒化鉬層突然轉移到另一層來證明。值得注意的是，每個二硒化鉬層在半翻轉時的電子態對所施加的電場對電荷的重新分布具有回彈力，表明電子具有不可壓縮的莫特式態。這個實驗表明，光譜學為研究本體中高度相關的電子物理學提供了強大的工具，並為研究簡併電子和偶極激子的Bose-Fermi混合物鋪平了道路。

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Strongly correlated electrons and hybrid excitons in a moiré heterostructure.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2191-2)

14.Nature:二維滷化物鈣鈦礦橫向外延異質結構

基於氧化物鈣鈦礦，III-V，II-VI和過渡金屬二硫化碳半導體的外延異質結構構成了現代電子學和光電子學的基礎。滷化鈣鈦礦對於諸如溶液處理的太陽能電池，發光二極體，檢測器和雷射器等應用具有吸引力。它們固有的軟晶格允許更大的晶格失配容忍度，使其有望用於異質結構形成和半導體集成。原子尖銳的外延界面對於改善性能和設備小型化是必需的。但是，由於滷化物鈣鈦礦的原子尖銳的異質結構的外延生長尚未實現，這是由於它們的固有離子遷移率高，這導致相互擴散和較大的結寬，並且由於它們的化學穩定性差，導致在沉積過程中先前層的分解後續層的製造。因此，了解這種不穩定性的根源並確定抑制離子擴散的有效方法非常重要。

普渡大學的Brett M. Savoie和普渡大學竇樂天以及上海科技大學的於奕報導一種有效的策略，通過結合剛性的π-共軛有機配體，基本上抑制了二維滷化物鈣鈦礦中的面內離子擴散。作者展示了高度穩定和可調的橫向外延異質結構，多異質結構和超晶格。低劑量像差校正的高解析度透射電子顯微鏡揭示了近原子尖銳的界面和外延生長。分子動力學模擬證實了在共軛配體存在下二維鈣鈦礦的減少的異質結構紊亂和更大的空位形成能。這些發現為滷化鈣鈦礦半導體的固定和穩定化提供了見識，並展示了用於複雜且分子薄的超晶格，器件和集成電路的材料平臺。

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Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/ s41586-020-2219-7)

15.Nature:通過自嵌入工程共價鍵結合的2D層狀材料

二維（2D）材料提供了一個獨特的平臺，可從該平臺探索拓撲和多體現象的物理原理。通過使用嵌入劑填充2D材料的範德華間隙可以產生新的特性；但是，生長後插層通常僅限於鹼金屬。

新加坡國立大學的羅建平、Stephen J. Pennycook和中山大學的羅鑫顯示出在生長過程中，本機原子自插入雙層過渡金屬二滷化物中會產生一類超薄的共價鍵合材料，並將其命名為ic-2D。這些材料的化學計量比由範德華茲間隙中八面體空位的周期性佔據模式決定，它們的性質可以通過改變羽狀位點的覆蓋率和空間排列來調整。通過在高金屬化學勢下進行生長，作者可以得到一系列鉭嵌入的TaS(Se)y，包括25％的Ta嵌入Ta9S16、33.3％的Ta7S12嵌入，50％的Ta10S16嵌入，66.7％的Ta嵌入Ta8Se12（形成Kagome晶格）和100％Ta嵌入的Ta9Se12。在其中一些插入相中檢測到鐵磁有序。作者還證明了自插V11S16，In11Se16和FexTey可以在富含金屬的條件下生長。這個工作建立了自我嵌入作為一種方法，通過該方法可以生長具有化學計量或成分相關特性的新型2D材料。

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Engineering covalently bonded 2D layered materials by self-intercalation.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2241-9)

16.Nature:映射魔角石墨烯中的扭曲角紊亂和Landau能級

最近發現的電子帶以及魔術角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中的強相關和超導相至關重要地取決於層間扭曲角θ。儘管已經證明以大約0.1度的精度控制全局θ，但是關於局部扭轉角的分布的信息很少。

魏茨曼科學研究院的E. Zeldov和麻省理工的P. Jarillo-Herrero使用納米級尖端掃描超導量子幹涉裝置（SQUID-on-tip）來獲取處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，並繪製六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG中的局部θ變化圖。相對精度優於0.002度且空間解析度只有幾個莫爾周期的設備。作者發現了θ紊亂程度與MATBG傳輸特性的質量之間的相關性，並表明，即使是具有相關狀態，Landau風扇和超導性的最先進的設備，也顯示出高達θ的局部局部變化。作者觀察到MATBG中的相關狀態相對於扭曲角異常特別脆弱。他們還證明了θ的梯度會產生大的柵極可調面內電磁場，即使在金屬區域也不會被屏蔽，這會通過在樣品的大部分區域中形成邊緣通道而深刻改變量子霍爾態，並且可能會影響相圖。相關和超導狀態。因此，作者確立了θ紊亂作為一種非常規類型的紊亂的重要性，這種紊亂使得能夠將扭曲角梯度用於帶狀結構工程，實現相關現象以及用於設備應用的門可調內置平面電場。

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Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2255-3)

17.Science：魔角扭曲雙層石墨烯中的電子躍遷級聯

魔角扭曲的雙層石墨烯具有多種電子狀態，包括相關的絕緣體，超導體和拓撲相。了解造成這些相的微觀機制需要確定電子與電子相互作用與量子簡併性之間的相互作用（後者是由於自旋和谷自由度所致）。在最近的光譜測量中，在電子譜帶的部分雜物中觀察到了強電子-電子相關性的特徵，運輸實驗表明雜物中的朗道能級簡併性的變化對應於每個摩爾單元格電子的整數。但是，目前尚不清楚相互作用效應與系統退化之間的相互作用。

普林斯頓大學的Ali Yazdani報導了使用高解析度掃描隧道顯微鏡確定的魔角扭曲雙層石墨烯的光譜性質隨電子躍遷的級聯過渡。作者發現，在莫爾條紋的每個整數波動中，化學勢都有明顯變化，並且低能激發發生了重排。這些光譜特徵是庫侖相互作用的直接結果，庫侖相互作用將簡併的脂肪譜帶劃分為哈伯德子譜帶。這些相互作用，可以通過實驗來提取它們的強度，從而對垂直磁場的存在異常敏感，這強烈地改變了光譜躍遷。作者在此報告的級聯轉變表徵了相關的高溫母相，在低溫下魔術角扭曲的雙層石墨烯中會出現各種絕緣和超導基態相。

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Cascade of electronic transitions in magic-angle twisted bilayer graphene.

(Science, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2339-0)

18.Nature:扭曲的α-MoO3雙層中的拓撲極化子和光子魔術角

扭曲的二維雙層材料表現出許多奇特的電子現象。操縱兩層之間的「扭轉角」可以控制電子能帶結構，從而產生魔角超導性，莫爾激子的形成和層間磁性。但是，對於光子這種概念的展示有限。

新加披國立大學的Cheng-Wei Qiu、紐約城市大學的Andrea Alu和莫納什大學的Qiaoliang Bao展示了類似的原理如何與極端各向異性相結合，實現了對範德華雙層中聲子極化子的光子色散的控制和操縱。實驗觀察到在兩層α相三氧化鉬（α-MoO3）中，當層之間的旋轉處於光子魔術扭曲角時會發生從開放（雙曲線）到封閉（橢圓）色散輪廓的可調拓撲過渡。這些轉變是由極化子雜交誘導的，並受拓撲量控制。在過渡處，雙層分散體表現出低損耗的可調諧極化子渠化和無分數傳播，解析度小於λ0/40，其中λ0是自由空間波長。這個發現將反旋和波紋技術擴展到納米光子學和極化電子學，並在納米成像，納米級光傳播，能量轉移和量子物理學中具有潛在的應用。

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Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2359-9)

19.Nature：魔角石墨烯的相變級聯和狄拉克恢復

接近魔角的扭曲雙層石墨烯展現出豐富的電子相關物理特性，顯示出絕緣，磁性和超導相。預計該系統的電子帶在魔術角附近會明顯變窄，從而導致各種可能破壞對稱的基態。

魏茨曼科學研究院的S. Ilani和麻省理工的P. Jarillo-Herrero使用對局部電子可壓縮性的測量，結果顯示這些相關的相位源自具有高能態且具有不正常的頻帶總數。當將載波添加到系統中時，對應於自旋和谷底自由度的四個電子「偏愛」不會平等地偏離。相反，它們是通過一系列尖銳的相變填充的，這些相變表現為摩爾紋晶格整形附近電子可壓縮性的強烈不對稱跳躍。在每次過渡時，一次自旋/谷偏向會使所有載子從其部分羽翼未豐的同伴中移出，將它們「重置」到電荷中性點附近。結果，在每次整數翻轉之後，在電荷中性附近觀察到的類似狄拉克的特徵再次出現。測量接近閃變因子的化學勢的面內磁場強度依賴性顯示出很大的自發磁化強度，進一步證實了對稱斷開級聯的情況。在遠高於超導和相關絕緣狀態開始的溫度下觀察到相變和狄拉克恢復的序列。這表明我們在此報告的狀態具有強烈破壞的電子偏愛對稱性和復活的狄拉克樣電子特徵，在魔角石墨烯的物理學中很重要，形成了一種母態，在該母態中，脆弱的超導和相關絕緣基態出現。

文獻連結：

Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic-angle graphene.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2373-y)

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