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12
2023
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06
轉角石墨烯（2+2）中關聯絕緣態的量子振蕩 | 進展
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在凝聚態介觀體系中，量子振蕩一般是指電阻或者磁化率等被測物理量隨著實驗參數改變而周期性振蕩的現象。對于處于磁場中的金屬而言，它的量子振蕩表現為電導（電阻）隨磁場的倒數周期振蕩，即所謂的Shubnikov-de Haas oscillations；而對絕緣體而言，由于費米面的態密度為零，類似金屬中的量子振蕩行為原則上是不可能出現的。然而近些年，人們陸續在近藤絕緣體SmB6、YbB12，InAs/GaSb量子阱以及半金屬WTe2中都觀察到了絕緣態的量子振蕩行為，引起了人們的廣泛關注，也預示著可能的新物理。目前這些反常振蕩的起源還有待探討，也亟需一個更簡單、可調的體系來揭示其中的奧秘。
轉角石墨烯是一類新型的強關聯平帶體系。它一般是以單層或者多層石墨烯為母體通過層間扭轉堆垛而形成的莫爾超晶格結構，其強的層間莫爾勢能會誘導出拓撲平帶。自2018年魔角石墨烯（1+1）中關聯絕緣態、超導態等被發現以來，該領域迅速發展并吸引了大量科學家的目光。在該領域，中科院物理所納米實驗室N07課題組率先以雙層石墨烯為母體發現了一類新型的轉角雙層-雙層石墨烯（2+2）莫爾超晶格體系，并在該體系中觀察到自旋極化的半填充關聯絕緣態(Nat.Phys.16,520(2020))；隨后，通過系統研究溫度線性電阻行為，發現了電場可調的電子-聲子相互作用和量子臨界行為的跡象（PRB 106,035107(2022）；并發現了電場可調的自旋-能谷競爭關系，實現了谷極化關聯絕緣態和陳數為2的拓撲陳絕緣態(Nat.Commun.13,3292(2022))。相比于魔角石墨烯，2+2體系具有更加豐富的調控手段，其能帶結構可以被電場調節，因而受到廣泛關注。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N07課題組的楊威特聘研究員和張廣宇研究員指導劉樂博士生等對轉角雙層-雙層石墨烯中谷極化的關聯絕緣態進行了深入研究。他們發現在莫爾價帶半填充處關聯絕緣態的電阻會隨著磁場發生振蕩（圖1所示）。
圖1 價帶半填充處關聯絕緣態的量子振蕩
通過系統研究其輸運行為對溫度的響應，發現價帶半填充處的基態在垂直磁場的誘導下會發生金屬-絕緣體相變，并且量子振蕩只在絕緣態區域出現（圖2所示）。
圖2 量子振蕩的溫度依賴關系
此外，這種反常量子振蕩行為還能被電位移場所調控（圖3所示）。他們通過快速傅里葉變換發現其振蕩頻率隨電位移場的增加而線性減小，并根據振蕩頻率和振蕩振幅對溫度的響應提取了載流子濃度和有效質量，進一步證明這些物理量和電位移場之間存在強烈的依賴關系。
圖3 電場可調的量子振蕩
結合理論計算他們發現這種反常振蕩行為可以用一個唯象的反帶模型描述（圖4所示），并通過該模型成功復現了實驗現象。該工作首次在莫爾體系中觀察到絕緣態的量子振蕩現象，這拓寬了人們對轉角體系中關聯效應以及其誘導的復雜能帶的認識，并為揭示絕緣體中反常振蕩的物理機制提供了新的思路。
圖4 反帶模型復現實驗現象
本研究工作獲得了來自物理所固態量子信息實驗室和懷柔綜合極端實驗裝置的沈潔特聘研究員、呂力研究員，日本國立材料科學研究所的Kenji Watanabe研究員、Takashi Taniguchi研究員，上海科技大學的劉健鵬教授，松山湖材料實驗室的龍根副研究員等合作者的幫助。該工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院B類先導和依托大科學裝置開展建制化科研項目等資助。相關成果以“Quantum oscillations in field-induced correlated insulators of a moiré superlattice”為題發表在Science Bulletin, 68, 1127-1133(2023)。
原文鏈接：
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2095927323003134
信息來源：中科院物理所
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