We have grown an atom-thin, ordered, two-dimensional multi-phase film in situ through germanium molecular beam epitaxy using a gold (111) surface as a substrate. Its growth is similar to the formation of silicene layers on silver (111) templates. One of the phases, forming large domains, as observed in scanning tunneling microscopy, shows a clear, nearly flat, honeycomb structure. Thanks to thorough synchrotron radiation core-level spectroscopy measurements and advanced density functional theory calculations we can identify it as a √3 × √3 R(30°) germanene layer in conjunction with a √7 × √7 R(19.1°) Au(111) supercell, presenting compelling evidence of the synthesis of the germanium-based cousin of graphene on gold.

The electronic properties of heterostructures of atomically thin van der Waals crystals can be modified substantially by moiré superlattice potentials from an interlayer twist between crystals1,2. Moiré tuning of the band structure has led to the recent discovery of superconductivity3,4 and correlated insulating phases5 in twisted bilayer graphene (TBG) near the ‘magic angle’ of twist of about 1.1 degrees, with a phase diagram reminiscent of high-transition-temperature superconductors. Here we directly map the atomic-scale structural and electronic properties of TBG near the magic angle using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy. We observe two distinct van Hove singularities (VHSs) in the local density of states around the magic angle, with an energy separation of 57 millielectronvolts that drops to 40 millielectronvolts with high electron/hole doping. Unexpectedly, the VHS energy separation continues to decrease with decreasing twist angle, with a lowest value of 7 to 13 millielectronvolts at a magic angle of 0.79 degrees. More crucial to the correlated behaviour of this material, we find that at the magic angle, the ratio of the Coulomb interaction to the bandwidth of each individual VHS (U/t) is maximized, which is optimal for electronic Cooper pairing mechanisms. When doped near the half-moiré-band filling, a correlation-induced gap splits the conduction VHS with a maximum size of 6.5 millielectronvolts at 1.15 degrees, dropping to 4 millielectronvolts at 0.79 degrees. We capture the doping-dependent and angle-dependent spectroscopy results using a Hartree–Fock model, which allows us to extract the on-site and nearest-neighbour Coulomb interactions. This analysis yields a U/t of order unity indicating that magic-angle TBG is moderately correlated. In addition, scanning tunnelling spectroscopy maps reveal an energy- and doping-dependent three-fold rotational-symmetry breaking of the local density of states in TBG, with the strongest symmetry breaking near the Fermi level and further enhanced when doped to the correlated gap regime. This indicates the presence of a strong electronic nematic susceptibility or even nematic order in TBG in regions of the phase diagram where superconductivity is observed. Scanning tunnelling spectroscopy is used to map the atomic-scale electronic structure of magic-angle twisted bilayer graphene, finding multiple signatures of electron correlations and thus providing insight into the sought-after mechanism behind superconductivity in graphene.

In narrow electron bands in which the Coulomb interaction energy becomes comparable to the bandwidth, interactions can drive new quantum phases. Such flat bands in twisted graphene-based systems result in correlated insulator, superconducting and topological states. Here we report evidence of low-energy flat bands in twisted bilayer WSe2, with signatures of collective phases observed over twist angles that range from 4 to 5.1°. At half-band filling, a correlated insulator appeared that is tunable with both twist angle and displacement field. At a 5.1° twist, zero-resistance pockets were observed on doping away from half filling at temperatures below 3 K, which indicates a possible transition to a superconducting state. The observation of tunable collective phases in a simple band, which hosts only two holes per unit cell at full filling, establishes twisted bilayer transition metal dichalcogenides as an ideal platform to study correlated physics in two dimensions on a triangular lattice. Tunable correlated states are observed in twist bilayer WSe2 over a range of twist angles, with signatures of superconductivity for a twist of 5.1°.

We have systematically investigated the effect of oxidation on the structural and electronic properties of graphene based on first-principles calculations. Energetically favorable atomic configurations and building blocks are identified, which contain epoxide and hydroxyl groups in close proximity with each other. Different arrangements of these units yield a local-density approximation band gap over a range of a few eV. These results suggest the possibility of creating and tuning the band gap in graphene by varying the oxidation level and the relative amount of epoxide and hydroxyl functional groups on the surface.

Twisted van der Waals heterostructures have latterly received prominent attention for their many remarkable experimental properties, and the promise that they hold for realising elusive states of matter in the laboratory. We propose that these systems can, in fact, be used as a robust quantum simulation platform that enables the study of strongly correlated physics and topology in quantum materials. Among the features that make these materials a versatile toolbox are the tunability of their properties through readily accessible external parameters such as gating, straining, packing and twist angle; the feasibility to realize and control a large number of fundamental many-body quantum models relevant in the field of condensed-matter physics; and finally, the availability of experimental readout protocols that directly map their rich phase diagrams in and out of equilibrium. This general framework makes it possible to robustly realize and functionalize new phases of matter in a modular fashion, thus broadening the landscape of accessible physics and holding promise for future technological applications.

Using femtosecond time-resolved photoelectron spectroscopy we demonstrate that photoexcitation transforms monoclinic VO$_2$ quasi-instantaneously into a metal. Thereby, we exclude an 80 femtosecond structural bottleneck for the photoinduced electronic phase transition of VO$_2$. First-principles many-body perturbation theory calculations reveal a high sensitivity of the VO$_2$ bandgap to variations of the dynamically screened Coulomb interaction, supporting a fully electronically driven isostructral insulator-to-metal transition. We thus conclude that the ultrafast band structure renormalization is caused by photoexcitation of carriers from localized V 3d valence states, strongly changing the screening \emph{before} significant hot-carrier relaxation or ionic motion has occurred.

Artificial post-graphene elemental 2D materials have received much attention recently. Especially, stanene, the tin analogue of graphene, is expected to be a robust 2D topological insulator, even above room temperature. We have grown epitaxial 2D stanene on a Ag(1 1 1) single crystal template and determined its crystalline structure synergetically by scanning tunneling microscopy, high-resolution synchrotron radiation photoemission spectroscopy, and advanced first principles calculations. From the STM images, we show that stanene forms a nearly planar structure in large domains. A detailed core-level spectroscopy analysis as well as DFT calculations reveal that the stanene sheet lays over an ordered 2D Ag2Sn surface alloy, but not directly on a bulk-terminated Ag(1 1 1) surface. The electronic structure exhibits a characteristic 2D band with parabolic dispersion due to the non-negligible interaction with the underlying surface alloy.

An understanding of coordination chemistry is essential to the development of perovskite photovoltaics. By using a series of structurally approximate crown ethers as the model system, we show that coordination...