石墨烯中发现二维材料电子相关性

近年来，物理学家已经发现了能够将其电特性从金属转换为绝缘体，甚至转换为超导体的材料，超导体是一种无摩擦状态的材料，允许电子以零电阻流动。这些材料，包括“魔角”石墨烯而其他合成的二维材料，可以根据施加的电压或电子电流来改变电子状态。

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“电子相关性”有关，或与两个带负电的电子之间相互作用的影响有关。这些粒子斥力对大多数材料的性质的形成几乎没有影响。但在二维材料中，这些量子相互作用可能是主要的影响因素。了解电子相关性如何驱动电态可以帮助科学家设计奇异的功能材料，比如非常规超导体。

麻省理工学院和其他地方的物理学家在理解电子相关性方面迈出了重要一步。研究人员揭示了一种名为ABC三层石墨烯的二维材料中电子相关性的直接证据。这种材料之前已经被证明可以从金属变成绝缘体再变成超导体。

这是研究人员第一次在材料的特殊绝缘状态下直接检测到电子相关性。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，例如那些驱动超导性的电子相关性。

“更好地理解超导的基本物理原理将使我们能够设计出可以改变我们世界的设备，从零损耗能量传输到磁悬浮列车，”第一作者、麻省理工学院物理学助理教授Long Ju说。“这种材料现在是一个非常丰富的游乐场，可以探索电子相关性，构建更强大的现象和设备。”

超晶格

ABC三层石墨烯，堆叠在一层六方氮化硼之上，类似于更深入研究的魔角双层石墨烯，因为这两种材料都涉及石墨烯层，石墨烯是一种天然存在于石墨中的材料，在纯形式分离时可以表现出特殊的性能。石墨烯是由碳原子晶格组成，呈六角形排列，类似于铁丝网。六方氮化硼，或hBN，有类似的，略大的六方图案。

在ABC三层石墨烯中，三层石墨烯片以相同的角度堆叠，彼此略有偏移，就像分层的奶酪片一样。当ABC三层石墨烯以零度扭转角放置在hBN上时，产生的结构是moiré图案，或“超晶格”，由周期性的能量阱组成，其构型决定了电子如何流经材料。

Ju说:“这种晶格结构迫使电子局部化，并为电子相关性对材料的宏观性质产生巨大影响奠定了基础。”

他和他的同事试图探测ABC三层石墨烯，以获得电子相关性的直接证据，并测量它们的强度。他们首先合成了一个材料样本，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。他们施加的电压刚好能填满晶格中的每个阱。

电子刺激

然后，他们寻找材料处于理想状态的迹象，以便电子相关性主导和影响材料的性质。他们专门寻找“平坦带”结构的迹象，在这种结构中，所有的电子都具有几乎相同的能量。研究小组推断，拥有大范围能量的电子的环境太吵了，以至于电子相关性的微小能量无法产生影响。一个更平坦、更安静的环境会让这些效果发挥出来。

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具有平坦的带。然后他们稍微降低电压，使得晶格中的每个阱中只有一个电子占据。在这种“半填充”状态下，该材料被认为是莫特绝缘体——一种奇怪的电状态，应该能够像金属一样导电，但相反，由于电子相关性，该材料表现为绝缘体。

Ju和他的同事们想看看他们是否能在半填充的Mott绝缘状态下检测到这些电子相关性的影响。他们想看看如果他们通过移动电子来扰乱状态会发生什么。如果电子相关性有任何影响，这种电子构型的扰动就会遇到阻力，因为电子自然地相互排斥。例如，一个电子试图移动到邻近的阱中，会被已经占据那个阱的电子推回去，即使那个阱技术上可以容纳一个额外的电子。

为了克服这种阻力，它需要额外的能量提升——刚好足以克服电子的自然排斥力。研究小组推断，这种增强的大小可以直接衡量电子相关性的强度。

研究人员利用光线提供了额外的刺激。他们将不同颜色或波长的光照射到材料上，寻找材料吸收的峰值或单一特定波长。这个波长对应一个光子，它的能量刚好能把一个电子踢进相邻的半满阱中。

在他们的实验中，研究小组确实观察到了一个峰值——这是在这种特定的moiré超晶格材料中首次直接检测到电子相关性。然后他们测量了这个峰值来量化相关能，或电子排斥力的强度。他们确定这大约是20毫电子伏，或1/50电子伏。

结果表明，这种特殊2D材料的物理基础是强电子相关性。Ju说Mott绝缘状态特别重要，因为它是非常规超导的母态，其物理仍然是虚幻的。通过这项新研究，该团队已经证明ABC三层石墨烯/hBN moiré超晶格是探索和设计更多奇异电态的理想平台，包括非常规超导。

Ju说:“今天，超导只在现实环境中非常低的温度下发生。”他补充说，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。“如果我们能够理解非常规超导的机制，也许我们可以将这种效应提升到更高的温度。这种材料为理解和设计更强大的电气状态和设备奠定了基础。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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