自2004年石墨烯被發現之後，就因其優良的電學、力學等性質備受關注。石墨烯電子運動速度快，電子有效質量小，電子間的相互作用也小，因此導電性能佳，在柔性電子器件等新型器件的構建中可能有廣闊的應用前景。但是如果有人說，導電性質優良的石墨烯也能變成絕緣體，將會產生什麼樣顛覆性的影響？
近日，復旦大學物理學系張遠波課題組與美國加州大學伯克利分校王楓教授課題組合作研究發現三層石墨烯內的可調莫特絕緣體，通過實驗證明了石墨烯可以通過調控，實現從導體到莫特絕緣體的轉變，從而將石墨烯引入了強關聯物理研究領域，為下一步研究石墨烯中的超導提供了基礎。相關研究於1月21日以《三層石墨烯摩爾超晶格中的可調莫特絕緣體的證據》(“Evidence of a gate-tunable Mott insulator in a trilayer graphene moiré superlattice”)發表於國際期刊《自然·物理》（Nature Physics）雜誌。
材料的導電性一般是由“能帶理論”所解釋的。當電子填充到能帶的中間，材料就是導體；如果填充到能帶與能帶之間的帶隙，材料就是絕緣體。而原子在晶體中按照一定的規律排列起來的週期格點叫做晶格，晶格在很大程度上就決定了晶體的能帶。
據論文第一作者、加州大學伯克利分校博士後陳國瑞介紹，當電子剛好填充到能帶的一半時，相對應的，每一個晶格單元剛好有一個電子。如果電子間的作用很強，每一個電子都與其他電子關聯起來；一個電子的運動會強烈收到其它電子的約束。換而言之，材料裡的導電電子之間的庫倫相互作用大於電子的動能，這會使得電子的運動變得困難，這種電子的強關聯作用，會使得材料變成莫特絕緣體。莫特絕緣體是強關聯物理裡的一個核心概念，由它引發的特殊磁性和非常規超導等現象備受關注。
課題組從理論上預計，通過調節石墨烯的晶格常數和電子間的相互作用，就有可能實現石墨烯從金屬到莫特絕緣體的連續變化。為了實現上述構想，研究人員採用了三層石墨烯，因為三層石墨烯能帶的底部很平，意味著電子有很大的有效質量。同時他們利用三層石墨烯與氮化硼之間形成的摩爾超晶格，使得晶格常數變大；最後，通過兩個門電壓來原位調控體系中的電子相互作用的強度，使電子的有效質量變得更大。通過上述手段，使石墨烯實現了從金屬態導體到莫特絕緣體的連續變化。
該項研究與MIT的Pablo Jarillo-Herrero實驗室在“魔角”雙層石墨烯中發現莫特絕緣態有異曲同工之妙。而且該項研究還實現了能帶可調的莫特絕緣體，這也是國際上首次在二維材料裡面實現能帶可調的莫特絕緣體。石墨烯的組成元素只有碳，結構也相對簡單，便於研究人員後續建立相關理論模型，將為理解強關聯物理以及非常規超導提供一個極具價值的研究體系，也拓展了二維摩爾超晶格的強關聯物理這一全新的方向。
上海交通大學史志文教授課題組、韓國首爾大學的Jeil Jung教授課題組以及日本材料所的Taniguchi課題組參與了該項合作研究。（作者：唐潔茹 來源：復旦大學物理學系）
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