由于其较高的载流子迁移率和狄拉克电子能带结构,石墨烯被视为理想的二维电子气输运研究载体。当两层石墨烯按照小角度堆叠时,碳原子疏密排列形成摩尔超晶格结构,导致较强的周期性层间耦合。2011年,德克萨斯大学奥斯汀分校的Allan H. MacDonald团队利用连续模型预测,当转角为“魔角”(约1.1°)时,周期性层间耦合会使得该体系中出现“平”的能带结构。Hubbard模型下,电子平带带来不可忽略的库伦相互作用,会导致莫特金属—绝缘体相变。2018年,麻省理工学院的Pablo Jarrilo-Herrero团队首次在实验上观测到魔角石墨烯(“1+1”)中平带半填充时的电子关联绝缘态以及由关联绝缘态掺杂诱导的非常规超导现象。这种关联绝缘态和超导相共存的特征非常类似于铜基高温超导,有望作为一个新的平台去研究电子强关联和高温超导机理。转角低维材料体系迅速吸引了大量理论和实验工作者的关注,一个新研究领域——转角电子学,应运而生。寻找其他的转角强关联体系、增加新的电子态调控自由度,成为了该领域的前沿问题之一。
近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N07课题组的沈成博士和张广宇研究员等从AB堆垛的双层石墨烯出发,研究了双层-双层石墨烯(“2+2”)魔角体系。考虑到单个AB堆垛的双层石墨烯会在垂直原子平面的位移电场作用下在零能量费米面处打开能隙,形成“墨西哥帽”式的能带结构,他们提出,由AB堆垛的双层石墨烯构筑的转角双层-双层石墨烯体系,同样存在电子平带且平带结构可以受到位移电场的调控。
利用转移堆叠技术,他们制备出许多转角在1.06°-1.33°区间的样品,通过顶栅和底栅来独立调控载流子浓度和垂直电场强度,利用电输运测量的手段系统性地研究了该体系中的电子强关联效应。如图1所示,他们发现转角双层-双层石墨烯体系中的确会在第一支导带半填充时发生金属—绝缘体相变,证实该体系中平带带来的强关联效应,相关实验结果与紧束缚模型的能带计算结果吻合。此外,他们还验证了位移电场对半填充关联绝缘态的调控作用。在有限的位移电场(0.2V/nm
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