|
石墨烯是碳原子组成的蜂巢状晶体，本质上就是铅笔中黑色的片状石墨，但是厚度只有单个原子，是一种二维材料。单层的石墨烯在超低温下具有超导电性。如果将两层石墨烯扭转成一定角度，会发生什么呢？ 2018年三四月份，MIT科学家Pablo Jarillo-Herrero带领的团队发现，如果将双层石墨烯扭转成特定角度——被称为“魔角”石墨烯——材料表现为莫特绝缘体（Mott insulator）。然后向这种绝缘体施加微弱的电场，也就是掺杂电子，双层石墨烯就会表现出非常规超导性，类似于高温超导铜氧化物。（该发现在凝聚态物理学引起了不小的轰动，读者可进一步阅读《石墨烯研究的意外发现，是否能解开高温超导之谜》） ○ 在扭转双层石墨烯中的旋转效应：a. 当双层石墨烯被扭曲时，上层薄片被旋转使得无法与下层薄片对齐，从而让元胞（unit cell）得到扩展（红色）。b. 对于小角度的旋转，就会出现所谓的“摩尔纹”（moiré pattern），其中局部堆叠的排列呈周期性变化。| 图片来源：Nature 传统的能带理论假定，电子是在晶体的周期性势场中运动，电子间不存在相互作用。按照能带理论，莫特绝缘体理应表现为金属态，但是电子间强烈的库伦作用形成能隙，阻止了电子的自由移动，使其表现为绝缘态。 然而伊利诺伊大学香槟分校的研究人员发现，这种绝缘行为并不是因为材料是莫特绝缘体。研究莫特绝缘体的专家Philip Phillips表示，他的团队在仔细研究过MIT团队的实验数据后发现，“魔角”石墨烯的绝缘行为并不是莫特绝缘，而是更为深刻的维格纳晶体（Wigner crystal）。 这项研究的主要作者Bikash Padhi解释说：“将一层石墨烯扭转一定角度放在另一层石墨烯上，两层蜂巢结构彼此抵消而出现摩尔纹。MIT团队通过向双层石墨烯中注入电子，得到了新的物相，这可以通过研究摩尔纹上额外掺杂的电子来理解。通过增加电子密度，MIT团队观察到，如果一个摩尔元胞中包含2到3个电子时，材料表现为绝缘态。他们认为这是莫特绝缘体的例子。” ○ 左：六角晶格，每个摩尔元胞中只有一个电子，具有金属导电性；中：蜂巢晶格，每个摩尔元胞包含2个电子的绝缘态。右：kagome晶格，每个摩尔元胞包含3个电子的绝缘态。| 图片来源：Philip Phillips, University of Illinois at Ubana-Champaign Phillips解释说：“我们怀疑扭转双层石墨烯并没有形成莫特绝缘体的主要有两个原因：首先，传统的莫特绝缘体具有两个特征能量标度，但是观察到的金属-绝缘体转变只有一个标度。其次，根据MIT团队的报告，当一个摩尔元胞中包含一个电子时，材料并不表现出绝缘态，而对于莫特绝缘体，通常情况恰好相反。这些现象与莫特性质（Mottness）有着根本的不一致性。” 那么，什么又是维格纳晶体呢？ 1934年，尤金·维格纳（Eugene Wigner）第一次预言了一种电子的晶体相。在二维或三维空间中均匀、惰性、中性的背景上移动的电子气，如果其电子密度小于一个临界值，电子间的库伦势能将大于动能，因而电子的空间排布变得重要。为了使势能尽可能小，三维空间的电子会形成体心立方结构，二维空间的电子会形成三角晶格，一维的电子则会形成均匀分隔的晶格。维格纳晶体很难通过实验实现，因为量子涨落的强度会超过库伦排斥作用，并迅速导致无序。 ○ ○ 二维空间中三角晶格结构的维格纳晶体，图中红色三角形和蓝色方形表示晶体中的拓扑缺陷。| 图片来源：Arunas.rv |
|
|
