自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)之后，就因其優(yōu)良的電學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)備受關(guān)注。石墨烯電子運動速度快，電子有效質(zhì)量小，電子間的相互作用也小，因此導(dǎo)電性能佳，在柔性電子器件等新型器件的構(gòu)建中可能有廣闊的應(yīng)用前景。但是如果有人說，導(dǎo)電性質(zhì)優(yōu)良的石墨烯也能變成絕緣體，將會產(chǎn)生什么樣顛覆性的影響？

    近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系張遠(yuǎn)波課題組與美國加州大學(xué)伯克利分校王楓教授課題組合作研究發(fā)現(xiàn)三層石墨烯內(nèi)的可調(diào)莫特絕緣體，通過實驗證明了石墨烯可以通過調(diào)控，實現(xiàn)從導(dǎo)體到莫特絕緣體的轉(zhuǎn)變，從而將石墨烯引入了強關(guān)聯(lián)物理研究領(lǐng)域，為下一步研究石墨烯中的超導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。相關(guān)研究于1月21日以《三層石墨烯摩爾超晶格中的可調(diào)莫特絕緣體的證據(jù)》（“Evidence of a gate-tunable Mott insulator in a trilayer graphene moiré superlattice”）發(fā)表于國際期刊《自然·物理》（Nature Physics）雜志。

    材料的導(dǎo)電性一般是由“能帶理論”所解釋的。當(dāng)電子填充到能帶的中間，材料就是導(dǎo)體；如果填充到能帶與能帶之間的帶隙，材料就是絕緣體。而原子在晶體中按照一定的規(guī)律排列起來的周期格點叫做晶格，晶格在很大程度上就決定了晶體的能帶。

    據(jù)論文第一作者、加州大學(xué)伯克利分校博士后陳國瑞介紹，當(dāng)電子剛好填充到能帶的一半時，相對應(yīng)的，每一個晶格單元剛好有一個電子。如果電子間的作用很強，每一個電子都與其他電子關(guān)聯(lián)起來；一個電子的運動會強烈收到其它電子的約束。換而言之，材料里的導(dǎo)電電子之間的庫倫相互作用大于電子的動能，這會使得電子的運動變得困難，這種電子的強關(guān)聯(lián)作用，會使得材料變成莫特絕緣體。莫特絕緣體是強關(guān)聯(lián)物理里的一個核心概念，由它引發(fā)的特殊磁性和非常規(guī)超導(dǎo)等現(xiàn)象備受關(guān)注。

    課題組從理論上預(yù)計，通過調(diào)節(jié)石墨烯的晶格常數(shù)和電子間的相互作用，就有可能實現(xiàn)石墨烯從金屬到莫特絕緣體的連續(xù)變化。為了實現(xiàn)上述構(gòu)想，研究人員采用了三層石墨烯，因為三層石墨烯能帶的底部很平，意味著電子有很大的有效質(zhì)量。同時他們利用三層石墨烯與氮化硼之間形成的摩爾超晶格，使得晶格常數(shù)變大；最后，通過兩個門電壓來原位調(diào)控體系中的電子相互作用的強度，使電子的有效質(zhì)量變得更大。通過上述手段，使石墨烯實現(xiàn)了從金屬態(tài)導(dǎo)體到莫特絕緣體的連續(xù)變化。

    該項研究與MIT的Pablo Jarillo-Herrero實驗室在“魔角”雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)莫特絕緣態(tài)有異曲同工之妙。而且該項研究還實現(xiàn)了能帶可調(diào)的莫特絕緣體，這也是國際上首次在二維材料里面實現(xiàn)能帶可調(diào)的莫特絕緣體。石墨烯的組成元素只有碳，結(jié)構(gòu)也相對簡單，便于研究人員后續(xù)建立相關(guān)理論模型，將為理解強關(guān)聯(lián)物理以及非常規(guī)超導(dǎo)提供一個極具價值的研究體系，也拓展了二維摩爾超晶格的強關(guān)聯(lián)物理這一全新的方向。上海交通大學(xué)史志文教授課題組、韓國首爾大學(xué)的Jeil Jung教授課題組以及日本材料所的Taniguchi課題組參與了該項合作研究。

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