上海交大《Science》：石墨烯莫尔超晶格中强关联态的首个光谱学证据

    近日，《Science》以“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”为题发表了上海交通大学物理与天文学院陈国瑞副教授与美国麻省理工物理系巨龙助理教授课题组等的合作研究成果，报道了在石墨烯莫尔超晶格体系中强关联现象的首个光谱学证据。

    强关联（电子-电子相互作用）是凝聚态物理中的重要概念，其带来了很多重要的物理现象，比如磁性、高温超导等。近几年，人们通过将相同或不同二维材料进行转角堆叠制备出二维莫尔超晶格（例如魔角石墨烯），并在此类材料中发现了强关联现象，包括Mott绝缘体、超导、轨道磁性、陈绝缘体、Wigner晶体等，并随之产生了许多有趣的问题，为研究强关联物理提供了一个全新的平台。在众多莫尔超晶格体系中，ABC-三层石墨烯/氮化硼超晶格具有丰富的可调控性，人们可简单地通过调节栅极电压，实现对体系中载流子浓度、关联强度和拓扑性质的连续调节，进而在ABC-三层石墨烯莫尔超晶格中原位实现金属、Mott绝缘体、超导体以及陈绝缘体。但受限于顶层栅极金属的存在，之前的实验工作主要集中在电学输运测量，缺少重要的谱学信息。

图1. (A) ABC-三层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格器件与FTIR光电流测量示意图；(B) 价带-导带能隙的光学跃迁；(C) Mott绝缘态的光学跃迁。

    为了对莫尔超晶格体系中的关联强度等基本信息进行直接探测，此项工作将器件的顶栅设计成在红外波光有一定透射率的镍铬合金，利用傅里叶变换红外光电流光谱（Fourier transform infrared photocurrent spectroscopy）对ABC-三层石墨烯莫尔超晶格的强关联态（Mott绝缘态）进行了测量研究。随着增加垂直方向电场，通过测量价带到导带的光学跃迁光谱，在实验上观测到了三层石墨烯莫尔超晶格的能带宽度会减小的趋势，并且观测到在实验范围内最小能带宽度可到~12 meV, 明显小于估算的电子-电子间的库伦能~25 meV，支持了关联效应在体系中占主导作用的理论。进一步，通过调节载流子浓度，将体系调节到n = 1/2 Mott绝缘态，即每个莫尔超晶格中两个电子，观测到了一个能量在18 meV的光学跃迁，通过分析得出，此跃迁对应Lower Hubbard Band（LHB）到Upper Hubbard Band（LHB）的光学跃迁，即体系中的电子间库伦能，与估算的~25 meV接近。并且通过进一步分析，可排除n = 1/2的Mott绝缘态是自旋（spin）或谷（valley）极化的可能性。这一实验结果直接证明了三层石墨烯莫尔超晶格体系中强关联效应的存在，并在实验上给出了与描述强关联体系的Hubbard model相关的能量尺度，对精确描述莫尔超晶格中的强关联提供了实验支持。同时，此项工作展示了三层石墨烯莫尔超晶格的丰富物理与傅里叶变换红外光电流光谱在相关体系测量中的独特优势。

    陈国瑞副教授为论文共同第一作者，主要合作者为美国麻省理工学院巨龙助理教授和杨纪翔博士、韩添艺博士。研究得到了国家重点研发基金、国家自然科学基金、上海交通大学的资助。