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近日，《Science》以“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”為題發(fā)表了上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院陳國(guó)瑞副教授與美國(guó)麻省理工物理系巨龍助理教授課題組等的合作研究成果，報(bào)道了在石墨烯莫爾超晶格體系中強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的首個(gè)光譜學(xué)證據(jù)。

強(qiáng)關(guān)聯(lián)（電子-電子相互作用）是凝聚態(tài)物理中的重要概念，其帶來(lái)了很多重要的物理現(xiàn)象，比如磁性、高溫超導(dǎo)等。近幾年，人們通過(guò)將相同或不同二維材料進(jìn)行轉(zhuǎn)角堆疊制備出二維莫爾超晶格（例如魔角石墨烯），并在此類材料中發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，包括Mott絕緣體、超導(dǎo)、軌道磁性、陳絕緣體、Wigner晶體等，并隨之產(chǎn)生了許多有趣的問(wèn)題，為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理提供了一個(gè)全新的平臺(tái)。在眾多莫爾超晶格體系中，ABC-三層石墨烯/氮化硼超晶格具有豐富的可調(diào)控性，人們可簡(jiǎn)單的通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)體系中載流子濃度、關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和拓?fù)湫再|(zhì)的連續(xù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而在ABC-三層石墨烯莫爾超晶格中原位實(shí)現(xiàn)金屬、Mott絕緣體、超導(dǎo)體以及陳絕緣體。但受限于頂層?xùn)艠O金屬的存在，之前的實(shí)驗(yàn)工作主要集中在電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量，缺少重要的譜學(xué)信息。

圖1. (A) ABC-三層石墨烯/氮化硼莫爾超晶格器件與FTIR光電流測(cè)量示意圖；(B) 價(jià)帶-導(dǎo)帶能隙的光學(xué)躍遷；(C) Mott絕緣態(tài)的光學(xué)躍遷。

為了對(duì)莫爾超晶格體系中的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度等基本信息進(jìn)行直接探測(cè)，此項(xiàng)工作將器件的頂柵設(shè)計(jì)成在紅外波光有一定透射率的鎳鉻合金，利用傅里葉變換紅外光電流光譜（Fourier transform infrared photocurrent spectroscopy）對(duì)ABC-三層石墨烯莫爾超晶格的強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)（Mott絕緣態(tài)）進(jìn)行了測(cè)量研究。隨著增加垂直方向電場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量?jī)r(jià)帶到導(dǎo)帶的光學(xué)躍遷光譜，在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了三層石墨烯莫爾超晶格的能帶寬度會(huì)減小的趨勢(shì)，并且觀測(cè)到在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最小能帶寬度可到~12 meV, 明顯小于估算的電子-電子間的庫(kù)倫能~25 meV，支持了關(guān)聯(lián)效應(yīng)在體系中占主導(dǎo)作用的理論。進(jìn)一步，通過(guò)調(diào)節(jié)載流子濃度，將體系調(diào)節(jié)到v = 1/2 Mott絕緣態(tài)，即每個(gè)莫爾超晶格中兩個(gè)電子，觀測(cè)到了一個(gè)能量在18 meV的光學(xué)躍遷，通過(guò)分析得出，此躍遷對(duì)應(yīng)Lower Hubbard Band（LHB）到Upper Hubbard Band（LHB）的光學(xué)躍遷，即體系中的電子間庫(kù)倫能，與估算的~25 meV接近。并且通過(guò)進(jìn)一步分析，可排除 v = 1/2的Mott絕緣態(tài)是自旋（spin）或谷（valley）極化的可能性。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了三層石墨烯莫爾超晶格體系中強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)的存在，并在實(shí)驗(yàn)上給出了與描述強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的Hubbard model相關(guān)的能量尺度，對(duì)精確描述莫爾超晶格中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)提供了實(shí)驗(yàn)支持。同時(shí)，此項(xiàng)工作展示了三層石墨烯莫爾超晶格的豐富物理與傅里葉變換紅外光電流光譜在相關(guān)體系測(cè)量中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

陳國(guó)瑞長(zhǎng)聘教軌副教授為論文共同第一作者，主要合作者為美國(guó)麻省理工學(xué)院巨龍助理教授和楊紀(jì)翔博士、韓添藝博士，物理與天文學(xué)院長(zhǎng)聘教軌副教授史志文也參與了工作，為論文的共同作者。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海交通大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3036

陳國(guó)瑞，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院長(zhǎng)聘教軌副教授，博士生導(dǎo)師。

2010年畢業(yè)于山東大學(xué)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2016年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系，獲物理學(xué)博士學(xué)位 ；2017年至2020年在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究；2020年底加入上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院，任長(zhǎng)聘教軌副教授、課題組長(zhǎng)。石墨烯等二維材料，二維范德華異質(zhì)結(jié)，石墨烯摩爾超晶格，強(qiáng)關(guān)聯(lián)與超導(dǎo)物理，拓?fù)湮锢?，新型量子器件的設(shè)計(jì)與制備，低溫強(qiáng)磁場(chǎng)電輸運(yùn)測(cè)量，量子霍爾效應(yīng)等。

從事實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理研究，主要關(guān)注二維材料及其異質(zhì)結(jié)中出現(xiàn)的新奇物理現(xiàn)象。通過(guò)設(shè)計(jì)與制備高質(zhì)量新型二維量子器件，近年來(lái)在石墨烯摩爾超晶格的強(qiáng)關(guān)聯(lián)、超導(dǎo)、拓?fù)涞确矫孀龀鲆幌盗泄ぷ鳎涑晒l(fā)表在Nature、Nature Physics、Nature Materials、PRL、Nano Letters等學(xué)術(shù)期刊雜志上。課題組將關(guān)注新型二維材料體系，包括基于新型二維材料、摩爾超晶格、范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)等的高質(zhì)量器件和極端條件的電輸運(yùn)研究。