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)院陳國瑞副教授與美國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)生了許多有趣的問題，為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理提供了一個全新的平臺。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，人們可簡單的通過調(diào)節(jié)柵極電壓，實(shí)現(xiàn)對體系中載流子濃度、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)測量，缺少重要的譜學(xué)信息。

為了對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，此項(xiàng)工作將器件的頂柵設(shè)計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)行了測量研究。隨著增加垂直方向電場，通過測量價帶到導(dǎo)帶的光學(xué)躍遷光譜，在實(shí)驗(yàn)上觀測到了三層石墨烯莫爾超晶格的能帶寬度會減小的趨勢，并且觀測到在實(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)，即每個莫爾超晶格中兩個電子，觀測到了一個能量在18 meV的光學(xué)躍遷，通過分析得出，此躍遷對應(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倫能，與估算的~25 meV接近。并且通過進(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，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)體系測量中的獨(dú)特優(yōu)勢。

陳國瑞長聘教軌副教授為論文共同第一作者，主要合作者為美國麻省理工學(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。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)基金、國家自然科學(xué)基金、上海交通大學(xué)的資助。（來源：上海交大）