国研中心发现双重moiré超势阱中弱相互作用下的关联电子态

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范德华层状功能材料能够以‘纳米积木’的方式，堆叠、构建新架构，无需晶格匹配即可“自下而上”的垂直组装。该体系近年来迅猛发展，不断在微纳器件的新制造方式、新原理、新范式、新尺寸极限方面取得重要突破。其中，新兴领域旋转电子学（Twistronics）最为引人关注。通过精确旋转堆叠，人们能够从原子层次操控晶格结构在界面处的对称性，达到原子尺度精准调控体系能带结构的效果，从而彻底改变材料的本体性能。
        近日，沈阳材料科学国家研究中心科研人员与国内外多家单位合作，通过范德华堆垛精准控制角度在1度以内，将石墨烯的上下表面分别与氮化硼对齐堆叠，形成上下表面双重对齐的moiré超晶格，从而对石墨烯的能带达到复杂而有趣的调控，并在该双重moiré超晶格中发现弱相互作用下的强关联电子态。在《自然-通讯》(Nature Communications) 发表题为“hBN/graphene/hBN双重对齐超势阱中单层石墨烯的关联电子态”（Correlated states in doubly-aligned hBN/graphene/hBN heterostructures）的研究论文。

        研究人员利用二维晶体上下表面可以同时存在周期一致的双重对齐moiré超晶格这一特殊性质，采用精准控制角度的干式堆叠方法，制备了上下表面均接近0度对齐的h-BN/graphene/h-BN异质结（图1-2）。对这一实验上较难实现的复杂模型（计算表明，关联带隙的产生要求上下表面对齐度容差小于0.5度）进行了系统的低温量子输运表征（图3-5）。理论上，在连续模型中引入谷间相干（Inter-Valley Coherence， IVC）序参量时，发现动量空间某些点的IVC振幅可达100 meV量级，因此在整数填充-5、-6、-7 n0处（也即每个moiré超胞面积内填充5、6、7 个空穴时）打开global gap的尺寸分别可达1.42、 1.90、和 1.35 meV。这与实验上可重复观测到的-5、-6、-7 n0的整数空穴填充处的绝缘态行为相吻合（图6-7）。理论和实验自洽地证明该系统在-5到-7n0整数填充处产生的能隙为弱相互用下导致的强关联带隙，也是首次观测到二维moiré超晶格中弱相互作用下的电子关联现象。
        该工作由沈阳材料科学国家研究中心与山西大学、北京大学、上海科技大学、北京计算科学研究中心、日本国立材料研究所等单位合作完成。孙兴丹（国研中心）、张世豪（上海科技大学）、刘志勇（国研中心）为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、沈阳材料科学国家研究中心、国家重点研发计划青年项目等支持。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27514-y
        文章来源：金属所