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(yùn)研究載體。當(dāng)兩層石墨烯按照小角度堆疊時(shí)，碳原子疏密排列形成摩爾超晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致較強(qiáng)的周期性層間耦合。2011年，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Allan H. MacDonald團(tuán)隊(duì)利用連續(xù)模型預(yù)測，當(dāng)轉(zhuǎn)角為“魔角”（約1.1°）時(shí)，周期性層間耦合會(huì)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(huì)導(dǎo)致莫特金屬—絕緣體相變。2018年，麻省理工學(xué)院的Pablo Jarrilo-Herrero團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到魔角石墨烯（“1+1”）中平帶半填充時(shí)的電子關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)以及由關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)摻雜誘導(dǎo)的非常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象。這種關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和超導(dǎo)相共存的特征非常類似于銅基高溫超導(dǎo)，有望作為一個(gè)新的平臺(tái)去研究電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)和高溫超導(dǎo)機(jī)理。轉(zhuǎn)角低維材料體系迅速吸引了大量理論和實(shí)驗(yàn)工作者的關(guān)注，一個(gè)新研究領(lǐng)域——轉(zhuǎn)角電子學(xué)，應(yīng)運(yùn)而生。尋找其他的轉(zhuǎn)角強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、增加新的電子態(tài)調(diào)控自由度，成為該領(lǐng)域的前沿問題之一。
近期，中國科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(gè)AB堆垛的雙層石墨烯會(huì)在垂直原子平面的位移電場作用下在零能量費(fèi)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(shù)，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(dú)立調(diào)控載流子濃度和垂直電場強(qiáng)度，利用電輸運(yùn)測量的手段系統(tǒng)性地研究了該體系中的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。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(huì)在第一支導(dǎo)帶半填充時(shí)發(fā)生金屬—絕緣體相變，證實(shí)該體系中平帶帶來的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與緊束縛模型的能帶計(jì)算結(jié)果吻合。此外，他們還驗(yàn)證了位移電場對半填充關(guān)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(guān)聯(lián)絕緣態(tài)經(jīng)歷由出現(xiàn)到增強(qiáng)并最終消失的非單調(diào)性變化。位移電場下關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的響應(yīng)，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(guān)聯(lián)強(qiáng)度的又一個(gè)自由度。
電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用往往會(huì)引發(fā)電子的對稱性破缺。例如，絕大部分莫特絕緣體會(huì)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(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的響應(yīng)，來探測電子平帶半填充時(shí)的自旋基態(tài)。如圖2所示，平行磁場下塞曼效應(yīng)誘導(dǎo)和增強(qiáng)半填充關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的結(jié)果，支持該體系平帶半填充時(shí)電子自旋極化的觀點(diǎn)。這些結(jié)果為實(shí)驗(yàn)和理論上研究鐵磁莫特絕緣體和鐵磁超導(dǎo)提供了可能。
“2+2”的魔角石墨烯作為一個(gè)新的量子材料，展現(xiàn)了多自由度調(diào)控的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。該體系下的許多重要問題，如關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的起源、超導(dǎo)態(tài)和陳絕緣體的存在等，仍尚待進(jìn)一步研究。“2+2”的魔角石墨烯正在成為國際上多個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)研究對象，有望揭示更加豐富的電子關(guān)聯(lián)和拓?fù)淞孔游飸B(tài)。
該研究工作獲得瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士吳泉生、教授Oleg V. Yazyev，日本國立材料科學(xué)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(xué)基金委（11834017，61888102，11574359）、中科院（XDB30000000，QYZDB-SSW-SLH004，XDB28000000）等有關(guān)項(xiàng)目的支持。相關(guān)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）
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