扭转双层石墨烯中拓扑阻碍的实验证据：准粒子干涉揭示狄拉克锥同手性起源

《Nature Communications》：Experimental evidence of the topological obstruction in twisted bilayer graphene

本刊编辑推荐：为解决魔角扭转双层石墨烯（TBG）能带拓扑结构难以实验测定的难题，研究人员通过扫描隧道显微镜（STM）观测缺陷附近的准粒子干涉（QPI）图案。实验发现2q-arcs特征信号，证实单个moiré谷内狄拉克锥具有相同手性，直接验证了波函数的拓扑阻碍（topological obstruction）现象。该研究为理解TBG中关联物态（如Chern绝缘体）提供了关键的能带拓扑基础。

　　

当两层石墨烯以特定角度相对旋转时，会形成神奇的moiré超晶格结构，这种扭转双层石墨烯（TBG）已成为研究强关联电子物理的绝佳平台。特别是在接近1.1°的"魔角"附近，电子的运动速度急剧下降，形成近乎平坦的能带，从而引发了包括关联绝缘体、超导和奇异金属等在内的丰富物态。然而，除了能带的平坦度之外，其非平庸的拓扑性质同样至关重要——它被认为是轨道磁性和Chern绝缘体等量子现象出现的根源。

理论预测指出，在TBG的每个moiré谷（mini-valley）内，来自不同石墨烯层的两个狄拉克锥必须具有相同的手性（chirality）。这一特性导致了一个关键后果：无法用两个瓦尼尔轨道（Wannier orbital）来有效描述TBG的低能物理，因为这样的模型必然会产生手性相反的狄拉克锥。这种"拓扑阻碍"（topological obstruction）现象虽然理论上被广泛讨论，但一直缺乏直接的实验证据。传统的角分辨光电子能谱（ARPES）等技术难以直接探测能带的拓扑性质，因此发展能够表征TBG波函数拓扑的新实验方法成为领域内的重要挑战。

近日发表于《Nature Communications》的一项研究通过创新性地利用准粒子干涉（QPI）技术，首次为TBG中的拓扑阻碍提供了直接的实验证据。研究团队通过扫描隧道显微镜（STM）精确测量了TBG中点缺陷附近的局域态密度（LDOS）调制，并分析了其傅里叶变换模式，成功揭示了狄拉克锥的相对手性特征。

关键技术方法

本研究主要结合扫描隧道显微镜（STM）与准粒子干涉（QPI）技术，在8.4K超高真空环境下测量4.3°扭转双层石墨烯（通过SiC衬底C面外延生长制备）中点缺陷周围的局域态密度（LDOS）调制。通过紧束缚模型计算和T矩阵分析对实验数据进行定量比对，并系统评估了异质应变（heterostrain）对moiré能带结构的影响。

研究结果

观察TBG中点缺陷附近的准粒子干涉

研究团队首先在4.3°扭转角的TBG样品中定位了一个点缺陷（图1b）。通过扫描隧道显微镜测量缺陷周围的局域态密度（LDOS），发现了明显的周期性调制图案（图1c），表明该缺陷对电子起到了弹性散射中心的作用。在傅里叶变换（FFT）后的QPI信号中，研究人员观察到了以moiré布里渊区（mBZ）角点K_M和K′_M为中心的环形信号（图1f）。这些信号对应于单个moiré谷内相邻狄拉克锥之间的散射过程，其圆形形状源于背散射（back-scattering）的增强效应。

狄拉克锥相对手性的确定

最关键的发现是，实验中观察到的QPI环并非完整的圆形，而是呈现为"2q-arcs"（2q弧）特征——即只有部分圆弧可见（图1f）。理论分析表明，这种特征直接反映了狄拉克锥的相对手性。在四能带连续模型中（对应相同手性的狄拉克锥），QPI信号强度因子I_n(θ_q)沿散射环只有一个消光点；而在两能带瓦尼尔模型中（对应相反手性的狄拉克锥），则会出现两个消光点。实验观察到的单个消光点模式有力地支持了TBG中狄拉克锥具有相同手性的理论预测。

缺陷性质与位置的独立性

通过系统的紧束缚模型计算，研究团队验证了2q-arcs特征的普适性。无论缺陷是采用高斯势模型还是碳空位模型，也无论缺陷在moiré元胞中的具体位置如何，只要散射主要发生在表层，2q-arcs特征始终出现（图2b-g）。这一结果确认了观测到的拓扑信号对缺陷具体细节的独立性，强化了其作为拓扑阻碍证据的可靠性。

电子色散关系的重建

研究还利用QPI信号随能量的变化关系，重建了TBG的完整能带结构（图3）。在低能区域，通过测量2q-arcs的半径，得到了狄拉克锥的线性色散关系，并发现费米速度重正化为0.95×10⁶m/s，与紧束缚模型预测的0.91×10⁶m/s高度一致。在更高能量处，研究观察到了moiré布里渊区M点附近的范霍夫奇点（VHS）和相应的Lifshitz转变——费米面从圆形连续演变为星形结构（图3a-c）。

研究结论与意义

这项研究通过高分辨扫描隧道显微镜和准粒子干涉技术，为扭转双层石墨烯中的拓扑阻碍现象提供了首个直接的实验证据。研究证实了单个moiré谷内狄拉克锥具有相同手性，这一关键拓扑特性排除了简单两轨道瓦尼尔模型描述TBG的可能性。实验观察到的2q-arcs特征被证明是拓扑阻碍的独特指纹，且对缺陷细节和异质应变（本研究测得0.2%单轴应变和0.4%双轴应变）具有鲁棒性。

值得注意的是，研究还发现尽管实际TBG样品中的moiré晶格与原子晶格并非严格公度（commensurate），但基于moiré尺度涌现对称性的连续模型仍然能够很好地描述实验结果，这强调了TBG物理中涌现现象的重要性。

该工作建立了QPI作为探测二维材料能带拓扑的强大实验工具，为理解魔角石墨烯中强关联物态（如Chern绝缘体和非常规超导）的拓扑起源奠定了坚实基础。研究者预期，这种方法未来可推广至魔角区域，用于探索强关联效应与拓扑性质之间的相互作用，为拓扑量子材料的研究开辟了新途径。