近年來，物理學家已經發現了能將其電氣特性從金屬轉換為絕緣體甚至轉換為超導體的材料。超導體是一種處於無摩擦狀態的材料，允許電子以零阻力流動。這些材料–包括“魔角”石墨烯和其他合成的二維材料–可以根據施加的電壓或電子的電流來轉換電氣狀態。
驅動這些可轉換材料的基本物理學是一個謎，不過物理學家懷疑它跟“電子關聯”有關或來自兩個帶負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材料的特性方面幾乎沒有影響。但在二維材料中，這些量子相互作用可能是一個主導性的影響。了解電子關聯是如何驅動電狀態的則可以幫助科學家設計奇特的功能材料，比如非常規超導體。
現在，麻省理工學院(MIT)和其他地方的物理學家在理解電子相關性方面邁出了重要一步。在2022年3月17日發表在《科學》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聯的直接證據。這種材料之前已經被證明可以從金屬到絕緣體再到超導體的轉換。
據了解，研究人員首次在該材料的一個特殊絕緣狀態下直接檢測到了電子關聯性。另外他們還量化了這些關聯的能量尺度或電子之間相互作用的強度。這些結果表明，ABC三層石墨烯可以成為一個理想的平台以探索並可能設計其他電子相關關係，如那些驅動超導的電子。
這項研究的論文首席作者、麻省理工學院物理學助理教授Long Ju指出：“更好地了解超導的基礎物理學將使我們能夠設計出可能改變我們世界的設備，從零損耗的能量傳輸到磁懸浮的火車。這種材料現在是一個非常豐富的遊樂場，其可以探索電子的相關性並建立更強大的現象和設備。”
超晶格
一個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，由於這兩種材料都涉及到石墨烯層–一種天然存在於石墨中的材料，在以純粹的形式隔離時可以表現出特殊的特性。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hBN具有類似的、稍大的六邊形圖案。
在ABC三層石墨烯中，三個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ABC三層石墨烯以零度的扭曲角度坐在hBN上時，產生的結構是摩爾紋或“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材料。
Ju說道：“這種晶格結構迫使電子定位並為電子相關關係對材料的宏觀屬性產生巨大影響創造了條件。”他和他的同事們試圖通過對ABC三層石墨烯的探測來獲得電子關聯的直接證據並測量其強度。研究人員首先合成了這種材料的樣品並創造了一個帶有能量井的超晶格。據悉，每個能量井通常可以容納兩個電子。他們施加足夠的電壓則被用來填充晶格中的每一個井。
電子提升
之後，研究人員開始尋找材料處於理想狀態的跡象以使電子相關關係佔主導地位並影響材料的特性。他們特別尋找“平帶”結構的跡象，其中所有的電子幾乎具有相同的能量。研究小組推斷，一個容納具有廣泛能量的電子的環境將過於嘈雜，電子關聯的微小能量無法產生影響。一個更平坦、更安靜的環境將使這些影響得以體現出來。
研究團隊使用他們開發的一種獨特的光學技術來確認該材料確實有一個平坦的帶子。然後，他們稍微調低了電壓從而使晶格中的每一個井都只有一個電子佔據。在這種“半填充”狀態下，該材料被認為是一種莫特絕緣體–一種奇怪的電學狀態，它應該能像金屬一樣導電，但相反，由於電子的相關性，該材料表現為一種絕緣體。
Ju和他的同事們想看看他們是否能在一個半填充的莫特絕緣體狀態下檢測到這些電子關聯的影響。他們想看看如果他們通過移動電子來擾亂這種狀態會發生什麼。如果電子關聯有任何影響，這種電子配置的擾動將遇到阻力，因為電子自然會相互排斥。
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電子關聯性強度的直接衡量。
研究人員通過光來提供額外的推動力。他們將不同顏色或波長的光照射到該材料上並尋找一個峰值或該材料吸收的單一特定波長。這個波長對應於一個能量剛好足以將一個電子踢到鄰近的半填充井中的光子。
在實驗中，研究小組確實觀察到了一個峰值–這是第一次在這種特定的摩爾紋超晶格材料中直接檢測到電子的相關性。然後他們測量了這個峰值以量化相關能量或電子排斥力的強度。他們確定這大概是20毫電子伏特。
結果顯示，強大的電子相關性是這種特定二維材料的物理學基礎。Ju指出，莫特絕緣狀態特別重要，因為它是非常規超導性的母體狀態，其物理學原理仍是模糊的。通過這項新研究，研究小組已經證明ABC三層石墨/HBN摩爾超晶格是一個理想的平台，它可以探索和設計處更多奇特的電狀態，其中包括非常規超導性。
“今天，超導性只發生在現實環境中的極低溫度下，”Ju指出，“如果我們能夠理解非常規超導性的機制，也許我們可以將這種效應提升到更高的溫度。這種材料構成了理解和設計更強大的電氣狀態和設備的基礎。”