上海交大陈国瑞课题组发现磁场诱导下石墨烯莫尔超晶格中的“电子晶体”态

　　

近日，上海交通大学物理与天文学院陈国瑞课题组利用电输运的测量方法，观测到ABC堆垛三层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格中的电子在库仑相互作用和外加磁场的诱导下，形成了一种“电子晶体”，即Wigner crystal，相关研究工作以“Magnetic Field-Stabilized Wigner Crystal States in a Graphene Moiré Superlattice”为题发表在《Nano Letters》上。

对于浓度稀疏的二维电子气，当其库伦相互作用远大于电子动能时，电子会自发形成一种“电子晶格”，即Wigner crystal。在此之前，通过施加强磁场，人们在液氦表面以及半导体量子阱体系里的超高迁移率二维电子气中发现过Wigner crystal的存在。最近，在半导体莫尔超晶格中也观测到了此种电子晶体。ABC三层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格的发现，为强关联物理提供了一个可调的体系，进而观测到Mott缘体、超导、陈绝缘体、分数填充轨道磁性等物态。

在此项工作中，通过施加磁场，在ABC三层石墨烯莫尔超晶格电子填充的能带中，分别在1/3、2/3、1、4/3、5/3和2填充时，体系展现出新的绝缘态。在这些态中，整数填充态可以理解成广义的Mott绝缘态，而分数填充态可以理解成广义的Winger crystal态。此处观测到的Wigner crystal态的产生需要两个因素，垂直电场和垂直磁场：垂直电场用来减小能带宽度，垂直磁场用来进一步减小电子的动能。而填充数为2的Mott绝缘态一直持续到30 T的高磁场，这可以理解为高磁场中的Hofstadter butterfly电子态。值得一提的是，此项工作是ABC石墨烯莫尔超晶格中电子掺杂端强关联效应的体现，结合之前的结果，展示了该体系在空穴和电子掺杂时的丰富物理。

(a)电阻随载流子浓度的测量结果揭示了ABC三层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格中的广义Mott和Wigner crystal态
(b)Wigner crystal的实空间示意图

本工作主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学资助，与UC Berkeley王枫教授、复旦大学张远波教授合作完成，陈国瑞副教授是论文第一作者和共同通讯作者。其他合作者还包括斯坦福大学David Goldhaber-Gordon教授课题组、上海交通大学史志文教授课题组、哈佛大学Ya-Hui Zhang博士、日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi研究员。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01741

作者：

物理与天文学院

供稿单位：

物理与天文学院