成像受相互作用重塑的魔角石墨烯平带

为什么扭曲的碳片很重要

将两片原子级薄的碳层叠放，在一个恰到好处的微小角度扭转，层内电子的行为会出现惊人的变化，产生绝缘、磁性甚至超导性。这种材料称为魔角扭双层石墨烯，多年来一直吸引物理学家的关注——但他们一直无法直接观测到电子允许能量的排列方式。本文报道了首次清晰的“动量空间”能带成像，揭示同一电子可以根据运动方式同时表现为轻快灵活或沉重迟缓。这种双重性有助于解释该材料中许多令人困惑的实验结果，并指向工程化量子物质新相态的方法。

一种新型的量子显微镜

研究者使用了一种称为量子扭转显微镜的工具，它将隧道显微镜与角分辨光电子谱的理念结合，在紧凑的低温装置中实现。用一层石墨烯安装在可移动的探针上，并将其靠近一个扭曲的双层石墨烯样品，中间由超薄绝缘层隔开。通过温和地旋转探针，团队实质上在样品中扫描不同的电子动量，同时改变探针与样品间的电压可以揭示可用电子态的能量。这一布局使他们能够构建电子可占据能量“能带”的详细图谱，在能量和动量上都具有极高的分辨率——这是常规技术在该体系中难以实现的。

从普通平带到由相互作用塑形的能带

作者首先研究了一个略微偏离魔角的样品。在那里，他们发现测得的能带与标准的无相互作用理论吻合良好：能带显示出熟悉的锥形交叉（狄拉克点）和适度变平的区域，这与两层石墨烯简单叠加时的预期一致。然而当他们进入真正的魔角区域时，能带结构发生了剧烈变化。在大多数动量空间区域，低能带变得极为平坦并被相当大的间隙分开，这意味着电子在这些区域表现得像是非常重且被局域化。只有在称为中心（Γ）的特殊动量附近，能带仍保持强烈弯曲且无间隙，表明电子在此轻且易动。换言之，材料并非拥有单一均匀的平带，而是在不同的电子运动方式对应的动量区域中呈现重与轻行为的拼贴。

填充能带如何重塑能量格局

接着，团队研究了在加入或移除电子——即调节能带填充的过程中会发生什么。在大多数填充情况下，两条超平坦能带对称地位于费米能量附近，费米能量是电子态被占据的上限。随着电子的加入或移除，这些平带几乎以刚性方式在能量上移动，但动量空间中心附近的态响应不同。那些与轻电子相关的中心态以一种拉伸中心附近能带结构的方式移动，因为添加的电荷主要堆积在其它局域区域并改变了内部电势（Hartree 势）。研究者还观察到，当填充通过每个整数值时，重的平带态会经历一系列阶梯状的“级联”变化，而中心的轻态则反复远离并回到费米能量——这种行为称为狄拉克复生（Dirac revivals）。他们的测量表明，这些复生源于电荷在轻态与重态之间来回调配，而不仅仅像此前认为的那样在电子的内部“口味”间转换。

重电子部分中的隐藏模态

除了重塑已知能带外，数据还揭示了一个意外且持久的激发模态，其能量大约位于费米能级的两侧 ±15 毫电子伏特处。该特征仅出现在电子表现为沉重和平带状的动量区域，其能量随材料掺杂几乎不变。它出现在器件的多个相距甚远的位置与不同样品中，但又无法与简单应变或现有理论模型的预期相匹配。这种鲁棒性暗示了与重电子相关的新集体模态或内部自由度，可能对应理解该材料强关联乃至可能的超导态的关键要素。

对奇异电子意味着什么

通过直接成像能带如何随电子动量和填充而变化，这项工作澄清了围绕魔角石墨烯中电子“二重性”的长期争论。同一平带在不同的动量空间区域既支持轻且扩展的载流子，也支持重且局域的载流子。它们对内部电力和添加电荷的不同响应，自然产生了能带拉伸、级联和狄拉克复生等在早期实验中观察到的现象。这些发现支持将该体系视为一种拓扑重费米子或类莫特的半金属的理论图景，同时揭示了一个未解的低能激发。更广泛地说，这里展示的量子扭转显微镜为探查那些迄今被隐蔽能带结构隐藏的脆弱量子材料打开了强有力的窗口。

引用: Xiao, J., Inbar, A., Birkbeck, J. et al. Imaging the flat bands of magic-angle graphene reshaped by interactions. Nature 653, 68–75 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10378-x

关键词: 魔角石墨烯, 平带, 量子扭转显微镜, 强关联电子, 重费米子