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复旦大学物理学系张远波课题组合作研究发现三

自2004年石墨烯被发明之后,就因其精良的电学、力学等性子备受关注。石墨烯电子运动速率快,电子有效质量小,电子间的互相感化也小,是以导电机能佳,在柔性电子器件等新型器件的构建中可能有广阔的利用前景。然则假如有人说,导电性子精良的石墨烯也能变成绝缘体,将会孕育发生什么样颠覆性的影响?

近日,复旦大年夜学物理学系张远波课题组与美国加州大年夜学伯克利分校王枫传授课题组相助钻研发明三层石墨烯内的可调莫特绝缘体,经由过程实验证清楚明了石墨烯可以经由过程调控,实现从导体到莫特绝缘体的转变,从而将石墨烯引入了强关联物理钻研领域,为下一步钻研石墨烯中的超导供给了根基。相关钻研于1月21日以《三层石墨烯摩尔超晶格中的可调莫特绝缘体的证据》(“Evidence of a gate-tunable Mott insulator in a trilayer graphene moiré superlattice”)颁发于国际期刊《自然·物理》(Nature Physics)杂志。

材料的导电性一样平常是由“能带理论”所解释的。当电子添补到能带的中心,材料便是导体;假如添补到能带与能带之间的带隙,材料便是绝缘体。而原子在晶体中按照必然的规律排列起来的周期格点叫做晶格,晶格在很大年夜程度上就抉择了晶体的能带。

据论文第一作者、加州大年夜学伯克利分校博士后陈国瑞先容,当电子刚好添补到能带的一半时,相对应的,每一个晶格单元刚好有一个电子。假如电子间的感化很强,每一个电子都与其他电子关联起来;一个电子的运动会强烈收到其它电子的约束。换而言之,材料里的导电电子之间的库伦互相感化大年夜于电子的动能,这会使得电子的运动变得艰苦,这种电子的强关联感化,会使得材料变成莫特绝缘体。莫特绝缘体是强关联物理里的一个核心观点,由它激发的特殊磁性和非老例超导等征象备受关注。

课题组从理论上估计,经由过程调节石墨烯的晶格常数和电子间的互相感化,就有可能实现石墨烯从金属到莫特绝缘体的继续变更。为了实现上述构想,钻研职员采纳了三层石墨烯,由于三层石墨烯能带的底部很平,意味着电子有很大年夜的有效质量。同时他们使用三层石墨烯与氮化硼之间形成的摩尔超晶格,使得晶格常数变大年夜;着末,经由过程两个门电压来原位调控体系中的电子互相感化的强度,使电子的有效质量变得更大年夜。经由过程上述手段,使石墨烯实现了从金属态导体到莫特绝缘体的继续变更。

该项钻研与MIT的Pablo Jarillo-Herrero实验室在“魔角”双层石墨烯中发明莫特绝缘态有异曲同工之妙。而且该项钻研还实现了能带可调的莫特绝缘体,这也是国际上首次在二维材料里面实现能带可调的莫特绝缘体。石墨烯的组成元素只有碳,布局也相对简单,便于钻研职员后续建立相关理论模型,将为理解强关联物理以及非老例超导供给一个极具代价的钻研体系,也拓展了二维摩尔超晶格的强关联物理这一全新的偏向。上海交通大年夜学史志文传授课题组、韩国首尔大年夜学的Jeil Jung传授课题组以及日本材料所的Taniguchi课题组介入了该项相助钻研。

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