美中日物理学家首次在二维材料中发现了强电子相关性的直接证据

诸平

Fig. 1 Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

Fig.2 In the moiré superlattice of trilayer graphene and hBN, a localized electron absorbs a photon and hops to a neighboring site. Credits: MIT News. Image: Ella Maru Studio

Fig.3 Jixiang Yang (seated); Long Ju (standing on left); and Tianyi Han. Credit: Melanie Gonick, MIT 

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）网站2022年3月17日报道，美中日物理学家首次在二维材料中发现了强电子相关性的直接证据（Physicists find direct evidence of strong electron correlation in a 2D material for the first time）。

近年来，物理学家已经发现了一些材料，它们能够将其电特性从金属转变为绝缘体，甚至转变为超导体。超导体是一种处于无摩擦状态的材料，可以让电子以零电阻流动。这些材料，包括“魔角”石墨烯和其它二维合成材料，可以根据施加的电压或电子电流改变电子状态。

驱动这些可切换材料的基本物理原理是一个谜，尽管物理学家怀疑这与“电子关联”有关，也就是两个负电荷电子之间的相互作用所产生的影响。这些粒子斥力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的影响。了解电子关联如何驱动电子状态，可以帮助科学家设计奇异的功能材料，如非常规超导体。

现在，MIT和其他地方的物理学家已经朝着理解电子相互关系迈出了重要的一步。在2022年3月17日发表在《科学》（Science）杂志上的一篇论文——Jixiang Yang, Guorui Chen，Tianyi Han, Qihang Zhang, Ya-Hui Zhang, Lili Jiang, Bosai Lyu, Hongyuan Li, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Zhiwen Shi, Todadri Senthil, Yuanbo Zhang, Feng Wang, Long Ju. Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice. Science, Published 17 Mar 2022, 375 (6586): 1295-1299. DOI: 10.1126/science.abg3036. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3036

参与此项研究的除了来自美国MIT研究人员之外，还有来自美国 哈佛大学（Harvard University）、加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）、劳伦斯·伯克利国家实验室（ Lawrence Berkeley National Laboratory）；中国上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）.复旦大学（Fudan University）以及日本筑波国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan）的研究人员。

在这篇论文中研究人员揭示了一种叫做ABC三层石墨烯的二维材料中存在电子关联的直接证据。这种材料以前曾被证明可以从金属变成绝缘体，再变成超导体。

研究人员首次直接检测到此材料在特殊绝缘状态下的电子关联。他们还量化了这些关联的能量尺度，即电子间相互作用的强度。结果表明，ABC三层石墨烯可以成为一个理想的平台，以探索和可能工程其他电子关联，如那些驱动超导电性。

该研究的第一作者、麻省理工学院(MIT)物理学助理教授鞠龙(Long Ju音译,见图3)表示:“更好地理解超导的基础物理，将使我们能够设计出能够改变世界的设备，从零损耗能量传输到磁悬浮列车。这些材料现在是一个非常丰富的游乐场，可以探索电子关联，并构建更健壮的现象和设备。”

超晶格（Superlattice）

ABC三层石墨烯，堆叠在六方氮化硼（Hexagonal boron nitride简称hBN）层之上，与更深入研究的魔角双层石墨烯相似，因为这两种材料都含有石墨烯层，石墨烯是一种天然存在于石墨中的材料，当其纯形式被分离时，会表现出特殊的性能。石墨烯是由碳原子以六角形排列而成，类似于铁丝网。hBN有类似的，稍微大一点的六边形图案。

在ABC三层石墨烯中，三层石墨烯薄片以相同的角度堆叠在一起，彼此之间有轻微的偏移，就像多层的奶酪片一样。当ABC三层石墨烯以零度扭转角度放置在hBN上时，得到的结构是叠纹模式（moiré pattern）即“超晶格（superlattice）”，由周期能量阱（periodic energy wells）组成，其构型决定了电子如何流经此材料。

“这种晶格结构迫使电子局域化，并为电子相互关系奠定了基础，从而对此材料的宏观性质产生巨大影响，”鞠龙说。

他和他的同事试图探索ABC三层石墨烯，以获得电子关联的直接证据，并测量它们的强度。他们首先合成了一份此材料的样本，创造了一种具有能量阱的超晶格，每个能量阱通常可以容纳两个电子。他们施加的电压刚好足够填满晶格中的每一个阱。

电子刺激（Electron boost）

然后，他们寻找此材料处于理想状态的迹象，以使电子关联主导和影响材料的性能。他们专门寻找“平带”结构的迹象，在这种结构中，所有的电子具有几乎相同的能量。该团队推断，一个拥有广泛能量范围的电子的环境噪声太大，电子关联的微小能量无法产生影响。一个更平坦、更安静的环境可以让这些效果显现出来。

该团队使用了他们开发的一种独特的光学技术来确认这种材料确实有一个平带。然后他们稍微调低电压，这样晶格中的每一个阱中就只有一个电子占据了。在这种“半填充”状态下，此材料被认为是一种莫特绝缘体（Mott insulator）——一种奇怪的电子状态，应该能够像金属一样导电，但相反，由于电子相互关系，材料表现为一种绝缘体。

鞠龙和他的同事想看看他们是否能在半填充的莫特绝缘状态下检测到这些电子关联的影响。他们想知道，如果电子四处移动扰乱了状态，会发生什么。如果电子关联有任何影响，这种电子构型的扰动将会遇到阻力，因为电子自然地互相排斥。例如，如果一个电子试图移动到邻近的电子阱，那么它会被已经占据该电子阱的电子推回去，即使该电子阱在技术上可以容纳一个额外的电子。

为了克服这个阻力，它需要额外的能量来克服电子的自然斥力。研究小组推断，这种助推的强度将直接衡量电子关联的强度。

研究人员利用光线提供额外的刺激。他们将不同颜色或波长的光照射到此材料上，并寻找峰值，或材料吸收的单一特定波长。这个波长对应的光子刚好有足够的能量把一个电子踢到邻近的半满的阱里。

在他们的实验中，研究小组确实观察到了一个峰值，这是第一次在这种叠纹超晶格材料中直接检测到电子关联。然后，他们测量了这个量化相关能即电子排斥力强度的峰值。他们确定这是大约20 meV或者1/50 eV。

结果表明，这种特殊的二维材料的物理基础是强电子关联。鞠龙说，莫特绝缘状态（Mott insulating state）尤为重要，因为它是非常规超导的母体状态，而这一状态的物理学原理仍然不为人所知。通过这项新研究，该团队已经证明ABC三层石墨烯/hBN叠纹超晶格是探索和设计更奇特的电态，包括非常规超导性的理想平台。

鞠龙指出：“今天，超导性只在非常低的温度下才会在现实环境中发生。”他说该团队的光学技术可以应用于其他二维材料，以揭示类似的奇异状态。“如果我们能理解非常规超导的机理，也许我们可以把这种效应提高到更高的温度。这种材料为理解和设计更稳健的电气状态和设备奠定了基础。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

扭曲三层石墨烯中相关态和超导性的观察（The observation of correlated states and superconductivity in twisted trilayer graphene） 

The ABCs of ABC graphene

Stacking graphene layers on top of each other in particular configurations can have a profound effect on the electronic properties of the resulting material. Spectroscopic methods can be used to study the band structure, but the addition of top layers to control the carrier density and improve sample properties makes such measurements tricky. Yang et al. overcame these challenges and used infrared spectroscopy in dual-gated trilayer graphene stacked in the so-called ABC configuration and encapsulated in hexagonal boron nitride. The researchers mapped out the band structure features created by the stacking and electron correlations and measured the parameters of the many-body model expected to describe this material. The method may be extended to study other related superlattices. —JS

Abstract

ABC-stacked trilayer graphene/hexagonal boron nitride moiré superlattice (TLG/hBN) has emerged as a playground for correlated electron physics. We report spectroscopy measurements of dual-gated TLG/hBN using Fourier transform infrared photocurrent spectroscopy. We observed a strong optical transition between moiré minibands that narrows continuously as a bandgap is opened by gating, indicating a reduction of the single-particle bandwidth. At half-filling of the valence flat band, a broad absorption peak emerges at ~18 milli–electron volts, indicating direct optical excitation across an emerging Mott gap. Similar photocurrent spectra are observed in two other correlated insulating states at quarter- and half-filling of the first conduction band. Our findings provide key parameters of the Hubbard model for the understanding of electron correlation in TLG/hBN.