魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）是一種新興的材料系統，因其在調控相關現象方面的巨大潛力而成為研究熱點。尤其是，MATBG 中的電子同旋自由度——包括自旋和谷——在相圖中扮演著重要角色，超導性通常出現在同旋轉變的鄰近區域。然而，MATBG 的相關態動態仍未被充分探索，尤其是同旋序的具體性質和行為存在諸多挑戰。

       同旋序的動態對于理解其物理機制至關重要，但現有的研究大多集中于靜態特性，動態行為的探討相對不足。為了解決這一問題，加利福尼亞大學圣芭芭拉分校Chenhao Jin（金辰皓）教授合作在Nature期刊上發表了題為“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”的論文。

       科學家們采用了激子感測和光學泵浦-探測光譜技術，以亞皮秒的分辨率研究了 MATBG 中的同旋序動態。研究發現，在 ν?=?2 附近及 ν?=??3 和 ?2 之間的廣泛填充范圍內，同旋動態異常緩慢，壽命可達 300 ps，這與電子溫度的快速冷卻顯著解耦。這種非熱行為揭示了同旋自由度中存在異常長壽命的模式，可能與間谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基態有關。此外，研究還展示了對同旋序的非平衡控制能力，通過超快操控可以瞬時地偏離整數填充。

       資料顯示，Chenhao Jin（金辰皓）是北京大學校友，并以第一作者身份發表過Nature文章。
       研究亮點

       1. 實驗首次探測到 在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中，通過激子感測和光學泵浦-探測光譜技術獲得了亞皮秒分辨率的同旋序動態數據。這一實驗揭示了同旋動態在廣泛填充范圍內的特征，包括 ν?=?2 和 ν?=??3 至 ?2 的區域。

       2. 實驗通過 結合激子感測和光學泵浦-探測光譜技術，觀察到同旋動態的顯著緩慢，壽命長達 300 ps，與電子溫度的快速冷卻（約 10 ps）明顯解耦。這種非熱行為表明了同旋自由度中存在異常長壽命的模式，暗示了長程傳播的集體模式、強烈的同旋波動和記憶效應。此結果未被理論預期，可能與間谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基態相關。

       3. 此外，通過超快操控，研究展示了對同旋序的非平衡控制能力，使其在整數填充處瞬時偏離。這一發現不僅展示了對 MATBG 中集體激發的獨特探測方法，還為在莫爾系統中主動控制非平衡現象提供了新的路徑。

圖1. MATBG中激子感測的同旋序和動態。

圖2. MATBG中的填充依賴動態。

圖3. 電荷和同旋動態之間的解耦。

圖4. 級聯特性的超快操控。

       結論展望

       本文揭示了魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中同旋序的異常動態特征，為研究相關現象提供了新的視角。通過結合激子感測和光學泵浦-探測光譜技術，我們觀察到在寬泛的填充范圍內，同旋動態異常緩慢，壽命可達 300 ps，與電子溫度的快速冷卻顯著解耦。這種非熱行為表明同旋自由度中存在異常長壽命的模式，提示可能存在長程傳播的集體模式、強烈的同旋波動及記憶效應，這可能與間谷相干或不匹配的 Kekulé 螺旋基態相關。

       這一發現超出了理論預期，揭示了同旋序在 MATBG 中的復雜行為，為理解該系統中的集體激發提供了新的依據。進一步地，通過超快操控技術，我們能夠對同旋序進行非平衡控制，展示了在莫爾系統中主動調控非平衡現象的潛力。這項研究不僅豐富了對 MATBG 中相關態動態的理解，也為未來在莫爾材料中的非平衡物理學研究開辟了新的方向。

       原文信息：Xie, T., Xu, S., Dong, Z. et al. Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07880-5