驅(qū)動(dòng)這些可切換材料的基本物理原理是一個(gè)謎，但物理學(xué)家懷疑它與“電子相關(guān)性”或兩個(gè)帶負(fù)電的電子之間相互作用的影響有關(guān)。這些粒子排斥力對(duì)大多數(shù)材料的特性影響不大。但在二維材料中，這些量子相互作用可能是主要影響。了解電子相關(guān)性如何驅(qū)動(dòng)電態(tài)可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)奇異的功能材料，例如非常規(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)性方面邁出了重要的一步。在2022 年3 月17 日發(fā)表于《科學(xué)》 的論文中，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相關(guān)性的直接證據(jù)。此前，該材料已被證明可以從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體，再轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。

據(jù)了解，研究人員首次直接檢測到材料特殊絕緣狀態(tài)下的電子關(guān)聯(lián)性。此外，他們還量化了這些相關(guān)性的能量尺度，或者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探索和潛在設(shè)計(jì)其他電子相關(guān)關(guān)系（例如驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)性的關(guān)系）的理想平臺(tái)。

“更好地了解超導(dǎo)的基礎(chǔ)物理將使我們能夠設(shè)計(jì)出可以改變世界的設(shè)備，從零損耗能量傳輸?shù)酱艖腋×熊?。這種材料現(xiàn)在是探索電子相關(guān)性和構(gòu)建更強(qiáng)大的現(xiàn)象和設(shè)備的一個(gè)非常豐富的游樂場?！?

超晶格

ABC 三層石墨烯（堆疊在一層六方氮化硼的頂部）與經(jīng)過深入研究的魔角雙層石墨烯類似，因?yàn)檫@兩種材料都包含石墨烯層（石墨中發(fā)現(xiàn)的一種天然材料，可以表現(xiàn)出特殊的性能）當(dāng)以純凈形式分離時(shí)。石墨烯由以六邊形排列的碳原子晶格組成。六方氮化硼（hBN）具有相似的、稍大的六方圖案。

在ABC三層石墨烯中，三個(gè)石墨烯片以相同的角度堆疊并且彼此稍微偏移，就像分層的奶酪片一樣。當(dāng)ABC 三層石墨烯以0 度的扭轉(zhuǎn)角放置在六方氮化硼上時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是莫爾圖案或“超晶格”，它由周期性能量井組成，其配置決定電子如何流過材料。

Ju說：“這種晶格結(jié)構(gòu)迫使電子局域化，并為電子相關(guān)性對(duì)材料的宏觀性能產(chǎn)生巨大影響創(chuàng)造了條件?！彼退耐略噲D通過探測ABC 三層石墨烯來獲得電子相關(guān)性。直接證據(jù)并衡量其強(qiáng)度。研究人員首先合成了該材料的樣本，并創(chuàng)建了帶有能量井的超晶格。據(jù)悉，每個(gè)能量井通?？梢匀菁{兩個(gè)電子。他們施加足夠的電壓來填充晶格中的每個(gè)孔。

電子升壓

然后，研究人員尋找材料處于理想狀態(tài)的跡象，以便電子相關(guān)性將主導(dǎo)并影響材料的特性。他們專門尋找“平帶”結(jié)構(gòu)的跡象，其中所有電子都具有幾乎相同的能量。研究小組推斷，容納具有多種能量的電子的環(huán)境對(duì)于與電子相關(guān)的微小能量產(chǎn)生影響來說太過嘈雜。更平坦、更安靜的環(huán)境會(huì)讓這些效果更明顯。

研究小組使用他們開發(fā)的獨(dú)特光學(xué)技術(shù)來確認(rèn)該材料確實(shí)具有平帶。然后，他們稍微調(diào)低電壓，使晶格中的每個(gè)阱僅被一個(gè)電子占據(jù)。在這種“半填充”狀態(tài)下，該材料被認(rèn)為是莫特絕緣體——一種奇怪的電狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它應(yīng)該像金屬一樣導(dǎo)電，但相反，由于電子的相關(guān)性，該材料的行為就像絕緣體。

Ju和他的同事想看看他們是否能夠在半填充莫特絕緣體狀態(tài)下檢測到這些電子相關(guān)性的影響。他們想看看如果通過移動(dòng)電子來擾亂這種狀態(tài)會(huì)發(fā)生什么。如果電子相關(guān)性有任何影響，電子構(gòu)型的這種擾動(dòng)就會(huì)遇到阻力，因?yàn)殡娮幼匀粫?huì)相互排斥。

為了克服這種阻力，需要額外的能量——足以克服電子的自然排斥力。研究小組推斷，這種增強(qiáng)的大小將是電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的直接衡量標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員利用光來提供額外的推動(dòng)力。他們將不同顏色或波長的光照射到材料上，并尋找材料吸收的峰值或單個(gè)特定波長。該波長對(duì)應(yīng)的光子的能量剛好足以將電子踢入相鄰的半填充阱。

在他們的實(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殊的莫爾超晶格材料中直接檢測到電子相關(guān)性。然后他們測量了這個(gè)峰值以量化相關(guān)的能量或電子排斥力的強(qiáng)度。他們確定電壓約為20 毫電子伏。

結(jié)果表明，強(qiáng)烈的電子相關(guān)性是這種特殊二維材料的物理基礎(chǔ)。朱指出，莫特絕緣態(tài)尤其重要，因?yàn)樗欠浅Ｒ?guī)超導(dǎo)的母態(tài)，而其物理原理仍然不清楚。通過這項(xiàng)新研究，研究團(tuán)隊(duì)證明了ABC 三層石墨/HBN 摩爾超晶格是探索和設(shè)計(jì)更奇特的電態(tài)（包括非常規(guī)超導(dǎo)性）的理想平臺(tái)。

“如今，超導(dǎo)性僅在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的極低溫度下發(fā)生，”Ju 指出。 “如果我們能夠理解非常規(guī)超導(dǎo)的機(jī)制，也許我們可以將這種效應(yīng)應(yīng)用到更高的溫度。這些材料構(gòu)成了理解和設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的電狀態(tài)和設(shè)備的基礎(chǔ)?！?