中國粉體網(wǎng)訊 由于其較高的載流子遷移率和狄拉克電子能帶結(jié)構(gòu)，石墨烯被視為理想的二維電子氣輸運研究載體。當兩層石墨烯按照小角度堆疊時，碳原子疏密排列形成摩爾超晶格結(jié)構(gòu)，導致較強的周期性層間耦合。2011年，德克薩斯大學奧斯汀分校的Allan H. MacDonald團隊利用連續(xù)模型預測，當轉(zhuǎn)角為“魔角”（約1.1°）時，周期性層間耦合會使得該體系中出現(xiàn)“平”的能帶結(jié)構(gòu)。Hubbard模型下，電子平帶帶來不可忽略的庫倫相互作用，會導致莫特金屬—絕緣體相變。2018年，麻省理工學院的Pablo Jarrilo-Herrero團隊首次在實驗上觀測到魔角石墨烯（“1+1”）中平帶半填充時的電子關聯(lián)絕緣態(tài)以及由關聯(lián)絕緣態(tài)摻雜誘導的非常規(guī)超導現(xiàn)象。這種關聯(lián)絕緣態(tài)和超導相共存的特征非常類似于銅基高溫超導，有望作為一個新的平臺去研究電子強關聯(lián)和高溫超導機理。轉(zhuǎn)角低維材料體系迅速吸引了大量理論和實驗工作者的關注，一個新研究領域——轉(zhuǎn)角電子學，應運而生。尋找其他的轉(zhuǎn)角強關聯(lián)體系、增加新的電子態(tài)調(diào)控自由度，成為該領域的前沿問題之一。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N07課題組博士沈成和研究員張廣宇等從AB堆垛的雙層石墨烯出發(fā)，研究了雙層-雙層石墨烯（“2+2”）魔角體系�？紤]到單個AB堆垛的雙層石墨烯會在垂直原子平面的位移電場作用下在零能量費米面處打開能隙，形成“墨西哥帽”式的能帶結(jié)構(gòu)，他們提出，由AB堆垛的雙層石墨烯構(gòu)筑的轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯體系，同樣存在電子平帶且平帶結(jié)構(gòu)可以受到位移電場的調(diào)控。
利用轉(zhuǎn)移堆疊技術，他們制備出許多轉(zhuǎn)角在1.06°-1.33°區(qū)間的樣品，通過頂柵和底柵來獨立調(diào)控載流子濃度和垂直電場強度，利用電輸運測量的手段系統(tǒng)性地研究了該體系中的電子強關聯(lián)效應。如圖1所示，他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯體系中的確會在第一支導帶半填充時發(fā)生金屬—絕緣體相變，證實該體系中平帶帶來的強關聯(lián)效應，相關實驗結(jié)果與緊束縛模型的能帶計算結(jié)果吻合。此外，他們還驗證了位移電場對半填充關聯(lián)絕緣態(tài)的調(diào)控作用。在有限的位移電場(0.2V/nm<|D|/ε0<0.6 V/nm)下，關聯(lián)絕緣態(tài)經(jīng)歷由出現(xiàn)到增強并最終消失的非單調(diào)性變化。位移電場下關聯(lián)絕緣態(tài)的響應，來源于位移電場對平帶帶寬和平帶兩側(cè)單粒子能隙大小的調(diào)控。這些結(jié)果表明，在“2+2”的魔角石墨烯中，位移電場可以作為除載流子濃度和轉(zhuǎn)角角度之外調(diào)控電子關聯(lián)強度的又一個自由度。
電子強關聯(lián)作用往往會引發(fā)電子的對稱性破缺。例如，絕大部分莫特絕緣體會呈現(xiàn)出電子自旋的反鐵磁排列。在“2+2”的魔角石墨烯中，他們通過施加平行磁場觀測半填充關聯(lián)絕緣態(tài)的響應，來探測電子平帶半填充時的自旋基態(tài)。如圖2所示，平行磁場下塞曼效應誘導和增強半填充關聯(lián)絕緣態(tài)的結(jié)果，支持該體系平帶半填充時電子自旋極化的觀點。這些結(jié)果為實驗和理論上研究鐵磁莫特絕緣體和鐵磁超導提供了可能。
“2+2”的魔角石墨烯作為一個新的量子材料，展現(xiàn)了多自由度調(diào)控的電子強關聯(lián)效應。該體系下的許多重要問題，如關聯(lián)絕緣態(tài)的起源、超導態(tài)和陳絕緣體的存在等，仍尚待進一步研究�！�2+2”的魔角石墨烯正在成為國際上多個理論和實驗團隊的重點研究對象，有望揭示更加豐富的電子關聯(lián)和拓撲量子物態(tài)。
該研究工作獲得瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院博士吳泉生、教授Oleg V. Yazyev，日本國立材料科學研究所研究員Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi和T03課題組研究員孟子楊等人的密切合作和幫助，以及科技部（2016YFA0300904，2016YFA0300502）、國家自然科學基金委（11834017，61888102，11574359）、中科院（XDB30000000，QYZDB-SSW-SLH004，XDB28000000）等有關項目的支持。相關成果發(fā)表在近期的《自然-物理》（Nature Physics 16, 520-525 (2020)）上。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
注：圖片非商業(yè)用途，如侵權(quán)告知刪除
