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美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授研究團隊(第一作者曹原)--半填充魔角石墨烯超晶格時的相關絕緣體行為

在這里,研究了由雙層石墨烯組成的異質結構,它是通過將兩層石墨烯層相對于彼此扭轉一定角度形成的。實驗表明,正如理論預測的那樣,當這個扭轉角度接近魔角時,由于強的層間耦合作用,鄰近費米能級的電子能帶結構變得平坦。這些扁平帶在半填充時表現出絕緣狀態,這是在缺失電子相關性時不會出現的情況。研究證明了在半填充時這些相關的狀態與Mott狀絕緣體是一致的,它來源于超晶格中的電子。魔角扭曲的雙層石墨烯異質結構所表現出的這些特性,暗示了這些材料可用于無磁場下研究二維其它外來多體量子相位。通過扭曲角度實現電可調性和帶寬可調性,以獲得扁平帶,這為更多非傳統的相關體系開辟了新路徑,如超導體和量子旋轉液體。

Figure 1.扭曲雙層石墨烯(TBG)的電子能帶結構。(aTBG裝置示意圖;(bTBG中看到的莫爾條紋;(c)魔角(1.08°)TBG的能帶;(d)由來自雙層的兩個KK')波矢量之間的差異構成的MBZ;(e-g)不同夾層層間雜化示意圖;(h)在1.08°時E>0,計算的平帶局部態密度(LDOS);(i)堆疊順序的簡化模型的俯視圖。

 

Figure 2.在魔角TBG中的半填充絕緣體狀態。(a)在1.08°時測量魔角TBG器件D1的電導,插圖顯示了四種不同器件中半填充絕緣相(HFIP)的密度位置;(bD1器件中兩個HFIP的最小電導值;(c-d)分別在p側和nHFIP附近,D1的溫度依賴性的電導(大約從0.31.7 K)。

 

Figure 3.在魔角TBG的扁平帶。

 

Figure 4.半填充絕緣相的磁場響應。(a,b)分別在p側和n側,D1裝置的HFIP電導的B依賴性;(c)不同磁場下pHFIP電導的阿侖尼烏斯曲線圖;(d-f)不同狀態圖(DOS)的密度。

該研究工作由美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授研究團隊(中國學生曹原為第一作者)于2018年發表在Nature期刊上。原文:Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlatticesdoi:10.1038/nature26154

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