近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室路建明、甘子钊与其他合作者通过构筑菱方三层石墨烯/氮化硼摩尔超晶格关联电子系统，在独立平带的分数填充条件下，观测到对称性破缺关联绝缘体的反常温度依赖关系。相关研究成果以“菱方三层石墨烯超晶格中对称性破缺关联绝缘体的抑制”（ Suppression of symmetry-breaking correlated insulators in a rhombohedral trilayer graphene superlattice）为题发表于期刊《自然•通讯》（Nature Communications）。
强关联电子和拓扑能带是凝聚态物理领域的重要研究方向，两者在石墨烯摩尔超晶格异质结中协同作用，产生了超导、陈绝缘体、磁性及铁电等多种新奇物态，具有广泛的应用前景，尤其是在下一代电子信息器件和量子计算领域。石墨烯电子具有自旋和能谷自由度，其能带结构表现出四重兼并性， K和K’能谷表现出相反的拓扑特性。因此，石墨烯的电子能带整体表现为拓扑平庸。当电子关联性增强时，如魔角石墨烯和菱方石墨烯等平带体系中，能谷简并度有可能被打破，产生极化态（亦称为同位旋铁磁态），从而电子能带整体表现为非零的拓扑陈数，即整数/分数量子反常霍尔效应。同时，极化态受到电子浓度和电位移场的调控，在相图边缘呈现出较强的量子涨落，常常伴随超导现象的出现。因此，探索电子能谷自由度极化态对温度、磁场等物理量的依赖关系，对于超导和拓扑物态的研究具有至关重要的作用。
自旋-能谷极化态的形成源于电子之间的强关联，而这些关联易受热涨落影响，因此低温往往是观测关联绝缘体、超导及拓扑等电子态的关键因素。然而，在魔角石墨烯系统中，当每个摩尔超胞填充一个电子或空穴时，电子极化导致的关联绝缘态（电子固体）在低温下消失，被费米液体替代。这种高温“固体”-低温“液体”的反常现象被称为同位旋波梅兰丘克（Pomeranchuk）效应。该效应最早用于描述氦-3的反常固液相变：固体中核磁矩涨落产生的熵大于液体在升温时的熵增，因此高温时固相取代了液相。这一反常相变用于制冷，促使了超流的发现，并在1996年获得诺贝尔物理学奖。
自从在魔角石墨烯中发现同位旋波梅兰丘克效应以来，其研究主要局限于特定的填充因子，正一或负一，即每个摩尔超胞填充一个电子或空穴。对于这一局限性的原因和是否成立的问题，尚无定论。菱方三层石墨烯具有天然的弱色散能带，与氮化硼晶格对齐堆叠时可以产生强关联的平带。平带或电子关联性可以通过垂直电位移场调控；最可贵的是，没有摩尔超晶格的菱方三层石墨烯的电子相已得到完备表征，可以作为参考对象研究超晶格周期势的影响。因此，菱方石墨烯超晶格体系为探索同位旋波梅兰丘克效应提供了理想的实验平台。
近日，路建明课题组与合作者通过构筑菱方三层石墨烯/氮化硼摩尔超晶格关联电子系统，在独立平带的分数填充时观测到对称性破缺关联绝缘体的反常温度依赖关系：每个摩尔超胞填充3个空穴时，关联绝缘态在高温（~15 K）时出现，在低温（~1.5 K）时消失；对于填充1或2个空穴的电子态，当电位移场大幅度削弱电子关联性时，可以观测到类似现象，表明极化态序参量较弱的刚性可能是此反常效应的关键因素。目前，平带体系中对称性破缺极化态的反常温度效应背后的物理机制仍然有待被彻底理解，研究团队的实验结果将会促进相关理论的进展。
图一 菱方三层石墨烯-氮化硼摩尔超晶格的电子相图，以及对称性破缺造成的关联绝缘态。
图二 相图中存在多个区域，表现为关联绝缘峰在低温下消失，在高温或平行磁场中复现。
图三 在填充因子为-3的区域，载流子浓度的“重置”行为在高温（~7 K）和平行磁场中表现明显，与电阻峰的表现一致。
图四 填充因子为-1和-2的区域，当电位移场较大时，电阻峰和载流子“重置”行为也有类似的温度和平行磁场依赖关系。
北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所博士后韩香岩为该论文第一作者。路建明、中国科学院物理研究所程智刚研究员与山西大学光电研究所韩拯教授为该论文通讯作者。其他合作者包括中国科学院微电子研究所韩春蕊研究员、中国科学院大学材料科学与光电技术学院毛金海教授和北京大学量子材料科学中心宋志达研究员。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54200-6
