近年来，魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）成为了探索多体现象的热门研究平台，吸引了大量学者的关注。随着相关研究的深入，科学家们逐渐揭示出MATBG中的许多奇异多体相现象。然而，关于这些现象的动力学特性依然未得到充分探索。近期，一项重要研究通过非平衡动力学的角度，揭示了MATBG体系中同位旋序的长寿命激发，为进一步理解这一领域提供了新思路。
魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）作为一种新兴材料，近年来在研究多体相现象方面展现了巨大潜力。传统与奇异的多体相态在MATBG中频频被报道，然而，与这些相态相关的动力学特性却鲜有涉及。理解这些特性的关键在于电子自旋自由度和电子谷在MATBG相图中的重要作用，特别是在超导性经常出现在同位旋跃迁附近的背景下。
MATBG中的同位旋序提供了探索电子关联与拓扑相互作用的独特机会。在低温条件下，研究者已经观察到MATBG中的莫尔晶胞处出现对称性破缺的同位旋相。这些同位旋序态的确切性质仍在积极研究中，可能涉及自旋和谷极化态以及IVC态等多种候选序。在高温下，长程同位旋序通常会熔化，但在整数填充附近，级联特征却可以持续到几十开尔文，这种现象常被解释为低温同位旋序的母体相关状态标志。
探索同位旋序对系统动力学的影响
一个关键问题是，同位旋序如何影响系统动力学。有人提出，同位旋软模式可能为超导性提供配对胶，并在高温输运中产生较大的电子熵。然而，由于同位旋序通常具有难以耦合的奇异序参数，这使得磁化率测量充满挑战。非平衡动力学为研究这一现象提供了一个全新视角，通过考察同位旋序与集体激励阻尼之间的瞬态动力学，研究者可以在不直接耦合序参数的情况下，捕捉关键的动力学特性。
加州大学圣塔巴巴拉分校金辰皓教授团队等人近期在《Nature》杂志上发表了一篇题为“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”的文章，揭示了MATBG体系中同位旋序的长寿命激发。这项研究结合了激子传感和光泵浦探测光谱技术，成功表征了MATBG在低温下的自旋序变化，分辨率达到了亚皮秒。
研究发现，在一个较宽的填充范围内（ν = 2以及ν = −3 ~−2之间），同位旋序几乎不变，寿命高达300 ps。这一现象与电子温度的快速冷却（约10 ps）相互独立，表明MATBG中的同位旋自由度存在异常的长寿命模式。这一发现未被现有理论预料到，表明MATBG中可能存在一种集体形式的长程自旋传播模式。
研究者指出，该研究方法可以扩展到其他平面带石墨烯系统，包括莫尔石墨烯和非莫尔石墨烯，这将有助于进一步解释准粒子寿命、集体激发与相关阶数之间的联系。除了同位旋动力学外，该研究还探讨了载流子弛豫动力学和填充依赖的声子瓶颈现象，为理解MATBG中的电子-声子耦合强度和电子-空穴不对称性提供了重要依据。
图片说明：
图1：MATBG中同位旋序和动力学的激子传感© 2024 Springer Nature
图2：MATBG中的填充依赖动力学© 2024 Springer Nature
图3：电荷与同位旋动力学之间的解耦© 2024 Springer Nature
图4：级联特性的超快操作© 2024 Springer Nature
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07880-5
