STM测量装置和扭曲三层石墨烯（TTG）结构分析

原创丨彤心未泯（米测技术中心）

自发对称破缺是凝聚态物理的基础，魔角扭曲的三层石墨烯( MATTG )表现出一系列强关联的电子相，这些电子相会自发地打破其潜在的对称性。然而，MATTG尚未在对称破缺顺序的背景下进行探索。

基于此，加州理工学院Hyunjin Kim、Stevan Nadj-Perge等人使用扫描隧道显微镜研究了MATTG的相关相位，并识别了相互作用驱动的空间对称性破缺的标记信号。在低应变样品中，在每个摩尔晶胞大约2~3个电子或空穴的填充范围内，作者观察到石墨烯晶格的原子尺度重构，并伴随着隧道谱中的相关间隙。这种短尺度的结构重组表现为一个凯库勒超胞，它包含了电子之间的自发谷间相干，并持续存在于与能隙发展相一致的广泛的磁场和温度范围内。覆盖多个莫尔纹晶胞的大比例尺图进一步揭示了凯库勒图案的缓慢演化，表明在更长的莫尔尺度下，原子尺度重构与平移对称性破缺共存。使用自相关和傅立叶分析来提取这些相位的内在周期性，并发现它们与理论上提出的不相称凯库勒螺线阶数一致。此外，作者发现表征莫尔尺度调制的波长随着空穴掺杂远离能带的半填充而单调减小，并且对磁场的依赖程度较弱。该结果提对存在应变时MATTG相关相的性质提供了重要见解，并表明超导性可以从谷间相干母态中出现。

MATTG中的凯库勒畸变成像

作者展示了STM测量装置和扭曲三层石墨烯（TTG）的结构，作者重点关注低异应变 (ϵ≈0.12%)和扭转角θ = 1.60°接近TTG的魔角值区域。高分辨率成像显示出晶格常数为0.246nm 的蜂窝结构，并伴有更微妙的更大规模的原子调制，dI/dV 图的傅立叶分析进一步证实了这种模式的周期性，表明了凯库勒畸变。观察到的凯库勒畸变很大程度上取决于栅极电压。

图1 实验概述和揭示凯库勒模式的原子解析图

图2 MATTG上凯库勒阶的VGate相关映射

莫尔条纹平移对称性破缺

为了更精确地确定相关态的性质，作者通过获取覆盖36 nm×36 nm区域的大面积dI/dV图来研究相邻莫尔晶胞中凯库勒图案的变化包含20个摩尔纹AAA点。通过傅里叶变换滤波分解图将凯库勒畸变的空间演化与底层石墨烯分开，通过二分法表明两个相邻莫尔条纹位置之间的凯库勒畸变发生显着变化。作者创建了 Kekulé 自相关图量化了整个映射区域的空间变化。在莫尔长度尺度上，该凯库勒图沿l1和l2方向显示出清晰的条纹状红蓝色图案，但沿l3方向显示出弱依赖性。观察到的周期性反映了垂直于l3方向的波矢量qKekulé处的调制，其幅度约为莫尔倒晶格矢量的一半。

图3 莫尔条纹平移对称性破缺的证据

凯库勒调制波矢

当阶数远不相称时，通过自相关分析直接从实空间图获得调制周期是具有挑战性的。因此，作者转向傅里叶空间分析来提取在宽填充范围内产生的调制波矢。通过高阶倒格向量克服了卫星峰簇难以识别石墨烯的挑战，从而允许更精确的提取。基于这些向量，可以准确估计石墨烯尺度上均匀凯库勒图案出现的傅里叶变换峰值的位置。此外，观察到的调制对磁场非常稳定。