近年来，物理学家已经发现了能将其电气特性从金属转换为绝缘体甚至转换为超导体的材料。超导体是一种处于无摩擦状态的材料，允许电子以零阻力流动。这些材料--包括“魔角”石墨烯和其他合成的二维材料--可以根据施加的电压或电子的电流来转换电气状态。
驱动这些可转换材料的基本物理学是一个谜，不过物理学家怀疑它跟“电子关联”有关或来自两个带负电的电子之间的相互作用的影响。这些粒子斥力在塑造大多数材料的特性方面几乎没有影响。但在二维材料中，这些量子相互作用可能是一个主导性的影响。了解电子关联是如何驱动电状态的则可以帮助科学家设计奇特的功能材料，比如非常规超导体。
现在，麻省理工学院(MIT)和其他地方的物理学家在理解电子相关性方面迈出了重要一步。在2022年3月17日发表在《科学》上的一篇论文中，研究人员揭示了一种名为ABC三层石墨烯的二维材料中电子关联的直接证据。这种材料之前已经被证明可以从金属到绝缘体再到超导体的转换。
据了解，研究人员首次在该材料的一个特殊绝缘状态下直接检测到了电子关联性。另外他们还量化了这些关联的能量尺度或电子之间相互作用的强度。这些结果表明，ABC三层石墨烯可以成为一个理想的平台以探索并可能设计其他电子相关关系，如那些驱动超导的电子。
这项研究的论文首席作者、麻省理工学院物理学助理教授Long Ju指出：“更好地了解超导的基础物理学将使我们能够设计出可能改变我们世界的设备，从零损耗的能量传输到磁悬浮的火车。这种材料现在是一个非常丰富的游乐场，其可以探索电子的相关性并建立更强大的现象和设备。”
超晶格
一个ABC三层石墨烯--堆叠在一层六方氮化硼之上--跟研究得更充分的魔角双层石墨烯相似，由于这两种材料都涉及到石墨烯层--一种天然存在于石墨中的材料，在以纯粹的形式隔离时可以表现出特殊的特性。石墨烯是由碳原子的晶格组成，以六边形模式排列。六方氮化硼或称hBN具有类似的、稍大的六边形图案。
在ABC三层石墨烯中，三个石墨烯片以相同的角度堆叠在一起，相互之间略有偏移，这就像是分层的奶酪片。当ABC三层石墨烯以零度的扭曲角度坐在hBN上时，产生的结构是摩尔纹或“超晶格”，它们由周期性的能量井组成，其配置决定了电子如何流过材料。
Ju说道：“这种晶格结构迫使电子定位并为电子相关关系对材料的宏观属性产生巨大影响创造了条件。”他和他的同事们试图通过对ABC三层石墨烯的探测来获得电子关联的直接证据并测量其强度。研究人员首先合成了这种材料的样品并创造了一个带有能量井的超晶格。据悉，每个能量井通常可以容纳两个电子。他们施加足够的电压则被用来填充晶格中的每一个井。
电子提升
之后，研究人员开始寻找材料处于理想状态的迹象以使电子相关关系占主导地位并影响材料的特性。他们特别寻找“平带”结构的迹象，其中所有的电子几乎具有相同的能量。研究小组推断，一个容纳具有广泛能量的电子的环境将过于嘈杂，电子关联的微小能量无法产生影响。一个更平坦、更安静的环境将使这些影响得以体现出来。
研究团队使用他们开发的一种独特的光学技术来确认该材料确实有一个平坦的带子。然后，他们稍微调低了电压从而使晶格中的每一个井都只有一个电子占据。在这种“半填充”状态下，该材料被认为是一种莫特绝缘体--一种奇怪的电学状态，它应该能像金属一样导电，但相反，由于电子的相关性，该材料表现为一种绝缘体。
Ju和他的同事们想看看他们是否能在一个半填充的莫特绝缘体状态下检测到这些电子关联的影响。他们想看看如果他们通过移动电子来扰乱这种状态会发生什么。如果电子关联有任何影响，这种电子配置的扰动将遇到阻力，因为电子自然会相互排斥。
为了克服这种阻力，它需要额外的能量提升--正好足以克服电子的自然排斥力。研究小组推断，这种助推力的大小将是对电子关联性强度的直接衡量。
研究人员通过光来提供额外的推动力。他们将不同颜色或波长的光照射到该材料上并寻找一个峰值或该材料吸收的单一特定波长。这个波长对应于一个能量刚好足以将一个电子踢到邻近的半填充井中的光子。
在实验中，研究小组确实观察到了一个峰值--这是第一次在这种特定的摩尔纹超晶格材料中直接检测到电子的相关性。然后他们测量了这个峰值以量化相关能量或电子排斥力的强度。他们确定这大概是20毫电子伏特。
结果显示，强大的电子相关性是这种特定二维材料的物理学基础。Ju指出，莫特绝缘状态特别重要，因为它是非常规超导性的母体状态，其物理学原理仍是模糊的。通过这项新研究，研究小组已经证明ABC三层石墨/HBN摩尔超晶格是一个理想的平台，它可以探索和设计处更多奇特的电状态，其中包括非常规超导性。
“今天，超导性只发生在现实环境中的极低温度下，”Ju指出，“如果我们能够理解非常规超导性的机制，也许我们可以将这种效应提升到更高的温度。这种材料构成了理解和设计更强大的电气状态和设备的基础。”