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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關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的首個光譜學(xué)證據(jù)。

強關(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，實現(xiàn)對體系中載流子濃度、關(guān)聯(lián)強度和拓?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，之前的實驗工作主要集中在電學(xué)輸運測量，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光電流測量示意圖；(B) 價帶-導(dǎo)帶能隙的光學(xué)躍遷；(C) Mott絕緣態(tài)的光學(xué)躍遷。

為了對莫爾超晶格體系中的關(guān)聯(lián)強度等基本信息進(jìn)行直接探測，此項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，在實驗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，并且觀測到在實驗范圍內(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。這一實驗結(jié)果直接證明了三層石墨烯莫爾超晶格體系中強關(guān)聯(lián)效應(yīng)的存在，并在實驗上給出了與描述強關(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關(guān)聯(lián)提供了實驗支持。同時，此項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研發(fā)基金、國家自然科學(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

陳國瑞，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院長聘教軌副教授，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年在美國加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯-伯克利國家實驗室從事博士后研究；2020年底加入上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院，任長聘教軌副教授、課題組長。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，強關(guān)聯(lián)與超導(dǎo)物理，拓?fù)湮锢?，新型量子器件的設(shè)計與制備，低溫強磁場電輸運測量，量子霍爾效應(yīng)等。

從事實驗?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。通過設(shè)計與制備高質(zhì)量新型二維量子器件，近年來在石墨烯摩爾超晶格的強關(guān)聯(lián)、超導(dǎo)、拓?fù)涞确矫孀龀鲆幌盗泄ぷ?，其成果發(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研究。