近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室路建明、甘子钊與其他合作者通過構築菱方三層石墨烯/氮化硼摩爾超晶格關聯電子系統，在獨立平帶的分數填充條件下，觀測到對稱性破缺關聯絕緣體的反常溫度依賴關系。相關研究成果以“菱方三層石墨烯超晶格中對稱性破缺關聯絕緣體的抑制”（Suppression of symmetry-breaking correlated insulators in a rhombohedral trilayer graphene superlattice）為題發表于期刊《自然•通訊》（Nature Communications）。

強關聯電子和拓撲能帶是凝聚态物理領域的重要研究方向，兩者在石墨烯摩爾超晶格異質結中協同作用，産生了超導、陳絕緣體、磁性及鐵電等多種新奇物态，具有廣泛的應用前景，尤其是在下一代電子信息器件和量子計算領域。石墨烯電子具有自旋和能谷自由度，其能帶結構表現出四重兼并性，K和K’能谷表現出相反的拓撲特性。因此，石墨烯的電子能帶整體表現為拓撲平庸。當電子關聯性增強時，如魔角石墨烯和菱方石墨烯等平帶體系中，能谷簡并度有可能被打破，産生極化态（亦稱為同位旋鐵磁态），從而電子能帶整體表現為非零的拓撲陳數，即整數/分數量子反常霍爾效應。同時，極化态受到電子濃度和電位移場的調控，在相圖邊緣呈現出較強的量子漲落，常常伴随超導現象的出現。因此，探索電子能谷自由度極化态對溫度、磁場等物理量的依賴關系，對于超導和拓撲物态的研究具有至關重要的作用。

自旋-能谷極化态的形成源于電子之間的強關聯，而這些關聯易受熱漲落影響，因此低溫往往是觀測關聯絕緣體、超導及拓撲等電子态的關鍵因素。然而，在魔角石墨烯系統中，當每個摩爾超胞填充一個電子或空穴時，電子極化導緻的關聯絕緣态（電子固體）在低溫下消失，被費米液體替代。這種高溫“固體”-低溫“液體”的反常現象被稱為同位旋波梅蘭丘克（Pomeranchuk）效應。該效應最早用于描述氦-3的反常固液相變：固體中核磁矩漲落産生的熵大于液體在升溫時的熵增，因此高溫時固相取代了液相。這一反常相變用于制冷，促使了超流的發現，并在1996年獲得諾貝爾物理學獎。

自從在魔角石墨烯中發現同位旋波梅蘭丘克效應以來，其研究主要局限于特定的填充因子，正一或負一，即每個摩爾超胞填充一個電子或空穴。對于這一局限性的原因和是否成立的問題，尚無定論。菱方三層石墨烯具有天然的弱色散能帶，與氮化硼晶格對齊堆疊時可以産生強關聯的平帶。平帶或電子關聯性可以通過垂直電位移場調控；最可貴的是，沒有摩爾超晶格的菱方三層石墨烯的電子相已得到完備表征，可以作為參考對象研究超晶格周期勢的影響。因此，菱方石墨烯超晶格體系為探索同位旋波梅蘭丘克效應提供了理想的實驗平台。

近日，路建明課題組與合作者通過構築菱方三層石墨烯/氮化硼摩爾超晶格關聯電子系統，在獨立平帶的分數填充時觀測到對稱性破缺關聯絕緣體的反常溫度依賴關系：每個摩爾超胞填充3個空穴時，關聯絕緣态在高溫（~15 K）時出現，在低溫（~1.5 K）時消失；對于填充1或2個空穴的電子态，當電位移場大幅度削弱電子關聯性時，可以觀測到類似現象，表明極化态序參量較弱的剛性可能是此反常效應的關鍵因素。目前，平帶體系中對稱性破缺極化态的反常溫度效應背後的物理機制仍然有待被徹底理解，研究團隊的實驗結果将會促進相關理論的進展。

圖一菱方三層石墨烯-氮化硼摩爾超晶格的電子相圖，以及對稱性破缺造成的關聯絕緣态。

圖二相圖中存在多個區域，表現為關聯絕緣峰在低溫下消失，在高溫或平行磁場中複現。

圖三在填充因子為-3的區域，載流子濃度的“重置”行為在高溫（~7 K）和平行磁場中表現明顯，與電阻峰的表現一緻。

圖四填充因子為-1和-2的區域，當電位移場較大時，電阻峰和載流子“重置”行為也有類似的溫度和平行磁場依賴關系。

beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所博士後韓香岩為該論文第一作者。路建明、中國科學院物理研究所程智剛研究員與山西大學光電研究所韓拯教授為該論文通訊作者。其他合作者包括中國科學院微電子研究所韓春蕊研究員、中國科學院大學材料科學與光電技術學院毛金海教授和beat365量子材料科學中心宋志達研究員。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54200-6