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驅(qū)動(dòng)這些可轉(zhuǎn)換材料的基本物理學(xué)是一個(gè)謎，不過(guò)物理學(xué)家懷疑它跟“電子關(guān)聯(lián)”有關(guān)或來(lái)自?xún)蓚€(gè)帶負(fù)電的電子之間的相互作用的影響。這些粒子斥力在塑造大多數(shù)材料的特性方面幾乎沒(méi)有影響。但在二維材料中，這些量子相互作用可能是一個(gè)主導(dǎo)性的影響。了解電子關(guān)聯(lián)是如何驅(qū)動(dòng)電狀態(tài)的則可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)奇特的功能材料，比如非常規(guī)超導(dǎo)體。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院(MIT)和其他地方的物理學(xué)家在理解電子相關(guān)性方面邁出了重要一步。在2022年3月17日發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇論文中，研究人員揭示了一種名為ABC三層石墨烯的二維材料中電子關(guān)聯(lián)的直接證據(jù)。這種材料之前已經(jīng)被證明可以從金屬到絕緣體再到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換。

據(jù)了解，研究人員首次在該材料的一個(gè)特殊絕緣狀態(tài)下直接檢測(cè)到了電子關(guān)聯(lián)性。另外他們還量化了這些關(guān)聯(lián)的能量尺度或電子之間相互作用的強(qiáng)度。這些結(jié)果表明，ABC三層石墨烯可以成為一個(gè)理想的平臺(tái)以探索并可能設(shè)計(jì)其他電子相關(guān)關(guān)系，如那些驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)的電子。

這項(xiàng)研究的論文首席作者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Long Ju指出：“更好地了解超導(dǎo)的基礎(chǔ)物理學(xué)將使我們能夠設(shè)計(jì)出可能改變我們世界的設(shè)備，從零損耗的能量傳輸?shù)酱艖腋〉幕疖?chē)。這種材料現(xiàn)在是一個(gè)非常豐富的游樂(lè)場(chǎng)，其可以探索電子的相關(guān)性并建立更強(qiáng)大的現(xiàn)象和設(shè)備。”

超晶格

一個(gè)ABC三層石墨烯--堆疊在一層六方氮化硼之上--跟研究得更充分的魔角雙層石墨烯相似，由于這兩種材料都涉及到石墨烯層--一種天然存在于石墨中的材料，在以純粹的形式隔離時(shí)可以表現(xiàn)出特殊的特性。石墨烯是由碳原子的晶格組成，以六邊形模式排列。六方氮化硼或稱(chēng)hBN具有類(lèi)似的、稍大的六邊形圖案。

在ABC三層石墨烯中，三個(gè)石墨烯片以相同的角度堆疊在一起，相互之間略有偏移，這就像是分層的奶酪片。當(dāng)ABC三層石墨烯以零度的扭曲角度坐在hBN上時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是摩爾紋或“超晶格”，它們由周期性的能量井組成，其配置決定了電子如何流過(guò)材料。

Ju說(shuō)道：“這種晶格結(jié)構(gòu)迫使電子定位并為電子相關(guān)關(guān)系對(duì)材料的宏觀屬性產(chǎn)生巨大影響創(chuàng)造了條件。”他和他的同事們?cè)噲D通過(guò)對(duì)ABC三層石墨烯的探測(cè)來(lái)獲得電子關(guān)聯(lián)的直接證據(jù)并測(cè)量其強(qiáng)度。研究人員首先合成了這種材料的樣品并創(chuàng)造了一個(gè)帶有能量井的超晶格。據(jù)悉，每個(gè)能量井通常可以容納兩個(gè)電子。他們施加足夠的電壓則被用來(lái)填充晶格中的每一個(gè)井。

電子提升

之后，研究人員開(kāi)始尋找材料處于理想狀態(tài)的跡象以使電子相關(guān)關(guān)系占主導(dǎo)地位并影響材料的特性。他們特別尋找“平帶”結(jié)構(gòu)的跡象，其中所有的電子幾乎具有相同的能量。研究小組推斷，一個(gè)容納具有廣泛能量的電子的環(huán)境將過(guò)于嘈雜，電子關(guān)聯(lián)的微小能量無(wú)法產(chǎn)生影響。一個(gè)更平坦、更安靜的環(huán)境將使這些影響得以體現(xiàn)出來(lái)。

研究團(tuán)隊(duì)使用他們開(kāi)發(fā)的一種獨(dú)特的光學(xué)技術(shù)來(lái)確認(rèn)該材料確實(shí)有一個(gè)平坦的帶子。然后，他們稍微調(diào)低了電壓從而使晶格中的每一個(gè)井都只有一個(gè)電子占據(jù)。在這種“半填充”狀態(tài)下，該材料被認(rèn)為是一種莫特絕緣體--一種奇怪的電學(xué)狀態(tài)，它應(yīng)該能像金屬一樣導(dǎo)電，但相反，由于電子的相關(guān)性，該材料表現(xiàn)為一種絕緣體。

Ju和他的同事們想看看他們是否能在一個(gè)半填充的莫特絕緣體狀態(tài)下檢測(cè)到這些電子關(guān)聯(lián)的影響。他們想看看如果他們通過(guò)移動(dòng)電子來(lái)擾亂這種狀態(tài)會(huì)發(fā)生什么。如果電子關(guān)聯(lián)有任何影響，這種電子配置的擾動(dòng)將遇到阻力，因?yàn)殡娮幼匀粫?huì)相互排斥。

為了克服這種阻力，它需要額外的能量提升--正好足以克服電子的自然排斥力。研究小組推斷，這種助推力的大小將是對(duì)電子關(guān)聯(lián)性強(qiáng)度的直接衡量。

研究人員通過(guò)光來(lái)提供額外的推動(dòng)力。他們將不同顏色或波長(zhǎng)的光照射到該材料上并尋找一個(gè)峰值或該材料吸收的單一特定波長(zhǎng)。這個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)能量剛好足以將一個(gè)電子踢到鄰近的半填充井中的光子。

在實(shí)驗(yàn)中，研究小組確實(shí)觀察到了一個(gè)峰值--這是第一次在這種特定的摩爾紋超晶格材料中直接檢測(cè)到電子的相關(guān)性。然后他們測(cè)量了這個(gè)峰值以量化相關(guān)能量或電子排斥力的強(qiáng)度。他們確定這大概是20毫電子伏特。

結(jié)果顯示，強(qiáng)大的電子相關(guān)性是這種特定二維材料的物理學(xué)基礎(chǔ)。Ju指出，莫特絕緣狀態(tài)特別重要，因?yàn)樗欠浅Ｒ?guī)超導(dǎo)性的母體狀態(tài)，其物理學(xué)原理仍是模糊的。通過(guò)這項(xiàng)新研究，研究小組已經(jīng)證明ABC三層石墨/HBN摩爾超晶格是一個(gè)理想的平臺(tái)，它可以探索和設(shè)計(jì)處更多奇特的電狀態(tài)，其中包括非常規(guī)超導(dǎo)性。

“今天，超導(dǎo)性只發(fā)生在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的極低溫度下，”Ju指出，“如果我們能夠理解非常規(guī)超導(dǎo)性的機(jī)制，也許我們可以將這種效應(yīng)提升到更高的溫度。這種材料構(gòu)成了理解和設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的電氣狀態(tài)和設(shè)備的基礎(chǔ)。”

關(guān)鍵詞：電子關(guān)聯(lián) 研究人員這種材料