研究人员观察到扭曲双层石墨烯中的带间集体激发

扭曲双层石墨烯是一种基于碳的二维(2D)材料，包括两个石墨烯层。尽管许多科学家最近开始探索其超导性和磁性的潜力，但迄今为止，对其进行的光学研究很少。

扭曲的双层石墨烯可以表现出与单层石墨烯截然不同的特性，特别是当它组成的两层相对于彼此旋转一个小角度(大约1度)时。研究和探索这些特性可能非常有价值，因为它最终可以增强当前对超导性的理解并促进其用于开发新设备。

巴塞罗那光子科学研究所和麻省理工学院(MIT)以及全球其他研究所的研究人员最近开展了一项研究，旨在以20nm的空间分辨率探测扭曲双层石墨烯的集体激发，使用称为中红外近场光学显微镜的光学技术。发表在《自然物理学》上的一篇论文概述了他们的努力，导致对材料中带间集体激发的观察。

“扭曲的双层石墨烯对于光学实验很有趣，特别是由于平坦的带与第一激发能带相结合，该带也相对平坦，”进行这项研究的研究人员之一NielsHesp告诉Phys.org。“正如早期的理论工作所预测的那样，这允许在红外能量下发生强烈的带间跃迁，使其即使在室温下也能进行。我们的实验旨在研究由这些光学跃迁形成的集体激发。”

近场光学显微镜是一种先进的技术，可用于以~20nm的分辨率检查材料表面的光学特性，这远低于衍射极限，这是光学系统开始对物体成像不佳的点(即，图像变得模糊)。使用这种技术，光通过非常尖锐的尖端耦合到样品中，这也提供了发射带间等离子体所需的动量。

扭曲角为1.35°的扭曲双层石墨烯的能带结构，与所研究的主要器件相同。红色能带被称为​​TBG中的典型平坦带，而蓝色能带是远程带。集体激发是由远程和平坦带(黑色箭头)之间的强带间跃迁形成的。图片来源：Hesp等。

“多亏了与麻省理工学院PabloJarrillo-Herrero小组的长期合作，我们得以尽早接触到他们的样本，”Hesp说。“事实上，他们在2016年为我们制造的一个样品是第一个显示莫特绝缘状态的样品。在进行测量时，对扭曲双层石墨烯中带间等离子体的第一次观察令人惊讶，因为我们不确定是什么期待。”

Hesp及其同事收集的光学测量结果揭示了电荷中性扭曲双层石墨烯中的传播等离子体模式，该模式与在单层石墨烯中观察到的带内等离子体显着不同。在他们的论文中，该团队建议这可能是一种带间等离子体，与源自材料的莫尔超晶格结构的微带之间的光学跃迁有关。

“我们的工作表明，扭曲的双层石墨烯对于光学研究同样有趣，特别是因为它是第一个以合理的品质因子看到传播带间等离子体的系统，”Hesp说。“这种激发即使在未掺杂的状态下也会发生，这意味着不需要外部电压。虽然现实世界的应用遥遥领先，但它构成了‘等离子体工具包’的另一个组成部分，”致力于纳米级集成光学电路。”

这些观察结果提供了关于有前途的超导材料扭曲双层石墨烯的独特特性的有价值的新见解。未来，他们的工作可能因此有助于开发各种新型光学器件和集成电路。

“由于扭曲的石墨烯结构形成了一类具有许多迷人现象的材料，我们基本上才刚刚开始旅程，”该研究的负责人Koppens教授说。“我们现在的目标是用光学器件在低温下获得相关状态。为此，我们安装了一种新型近场显微镜，它可以在低至5K的温度下工作，我们在其中研究光与强相互作用电子的相互作用。事实证明，这项技术对TBG的电子特性非常敏感，并且可能指向超导和磁现象的物理机制。”

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