Science：首次在二维材料中发现了强电子相关性的直接证据

一、【导读】

近年来，物理学家发现了能够将电子特性从金属转换为绝缘体，甚至转换为超导体的材料。这些材料，包括“魔角”石墨烯和其他合成的二维材料。通过范德华作用力，这些二维材料间可以进行垂直堆叠组装，对晶格不匹配的单层晶体进行耦合。由于不同材料中的单层晶体的晶格结构不同，在组装时常常会出现晶格失配的现象，这种晶格失配会导致摩尔斑图的出现。这类摩尔斑图可以看做是组分晶体结构中出现的二维周期势调控，即摩尔超晶格。在三层石墨烯/氮化硼（TLG/hBN）异质结构中，摩尔超晶格会改变本征石墨烯的能带，产生自相似的超晶格子带，进而会局部地打破石墨烯的晶格对称性，导致超导-绝缘体转变的出现。到今天，这些材料的物理学特征仍旧是一个谜，物理学家怀疑它与“电子关联性”或两个带负电电子之间的相互作用的影响有关。尽管这些量子相互作用对大多数材料的性质几乎没有影响，但在二维材料中，这些量子相互作用可能是主要影响。了解这类材料的电子相关性可以帮助科学家设计奇特的功能材料，例如非常规超导体。

二、【成果掠影】

近日，麻省理工学院、上海交通大学、复旦大学、加州大学伯克利分校、日本国家材料科学研究所合作在理解二维材料电子相关性方面迈出了重要的一步。研究人员在Science上发表的题为“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”的成果揭示了一种采用ABC构型堆叠的三层石墨烯/六方氮化硼（TLG/hBN）超晶格的二维材料中电子关联性的直接证据。这种材料先前已被证明可以从金属转变为绝缘体再到超导体。研究人员首次直接检测到材料特殊绝缘状态下的电子关联性。他们还量化了这些相关性的能量尺度，或电子之间相互作用的强度。结果表明，ABC构型的三层石墨烯可以成为探索和设计其他电子相关性的理想平台，例如驱动超导的电子关联性。

三、【文章思路脉络】

堆叠在六方氮化硼层上的ABC三层石墨烯与研究较多的两层魔角石墨烯相似，因为这两种材料都含有石墨烯层。石墨烯由排列成六边形图案的碳原子晶格组成，很像铁丝网。六方氮化硼（hBN）具有类似的、稍大的六方图案。在ABC三层石墨烯中，三片石墨烯以相同的角度堆叠，并且彼此略微偏移，就像分层的奶酪片。当ABC三层石墨烯以0度扭角置于hBN上时，所得的结构形成了具有周期性的 “摩尔超晶格”，其周期性决定了电子如何流过材料。这种晶格结构迫使电子定位并为电子相关性创造条件，从而对材料的宏观性质产生重大影响。

研究员们试图探索ABC三层石墨烯，以获得电子关联性的直接证据并测量它们的强度。他们首先合成了一个摩尔超晶格材料样本，并创建了一个带有能量阱的超晶格，每个能量阱通常可以容纳两个电子。他们施加了足够的电压来填充网格中的每个能量阱。然后，他们寻找到材料中所有电子具有几乎相同能量的理想状态，以使电子关联性占主导地位并影响材料的特性。该团队使用他们开发的一种独特的光学技术来确认该材料确实具有这种理想状态，然后稍微调低电压，使得只有一个电子占据晶格中的一个能量阱。在这种“半填充”状态下，该材料被认为是一种莫特绝缘体——一种奇怪的电子状态，本应该能够像金属一样导电，但由于电子关联性，该材料表现为绝缘体。他们将不同颜色或波长的光照射到材料上，并寻找材料吸收的峰值或单个特定波长（该波长对应于一个光子，其能量刚好足以将电子踢入相邻的半填充井中），以研究是否可以在半填充的莫特绝缘状态下检测到这些电子相关性的影响。在他们的实验中，该团队确实观察到了一个峰值——首次直接检测到这种特定摩尔超晶格材料中的电子关联性。然后他们测量了这个峰值以量化相关能量或电子排斥力的强度。他们确定这大约是 18 meV。结果表明，强关联电子是这种特殊二维材料物理特性的基础。通过这项新研究，该团队已经证明ABC三层石墨烯/hBN摩尔超晶格是探索和设计更奇特的电子态（包括非常规超导性）的理想平台。

四、【数据概览】

图1ABC堆叠三层石墨烯/六方氮化硼超晶格trilayer graphenehexagonal boron nitride moiré superlattice (TLG/hBN) 器件结构和带间光学跃迁 © 2022 AAAS

图2零掺杂时与位移场相关的带间光学跃迁 © 2022 AAAS

图3关联绝缘态的光学跃迁 © 2022 AAAS

图4磁场诱导的关联绝缘状态中的光学跃迁 © 2022 AAAS

五、【成果启示】

使用傅里叶变换红外光电流光谱对TLG/hBN的光谱测量提供了TLG/hBN摩尔超晶格中电子关联效应的光谱证据。该项工作通过实验确定了Hubbard模型相关参数的能量标度，这为准确的理论建模和理解该摩尔超晶格中观察到的和预测的相关基态奠定了基础。这里使用的FTIR光电流光谱技术也可以很容易地应用到其他二维摩尔超晶格器件，以揭示类似的奇异超导状态。如果能够了解非常规超导的机制，也许可以将低温超导提升到更高的温度。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3036

本文又小艺供稿。