近日，上海科技大学拓扑物理实验室/量子功能材料全国重点实验室的柳仲楷团队、寇煦丰团队与刘健鹏团队合作，在双层石墨烯 Kagome 人工超晶格中首次实现了一系列堆叠的关联绝缘态，为研究二维强关联量子物态提供了高度可控的新平台。相关成果以 “Stack of Correlated Insulating States in Bilayer Graphene Kagome Superlattice” 为题发表于国际学术期刊Advanced Materials。
近年来，石墨烯体系已成为探索新型量子物态的重要平台。通过构建具有平带结构的体系，可以有效抑制电子动能并增强电子之间的相互作用，从而诱导出关联绝缘态、磁性、超导及非平庸拓扑等新奇量子物态。目前实现平带主要依赖两类体系：一类基于层间微小转角形成的莫尔超晶格（如魔角石墨烯），另一类基于菱方堆垛的多层石墨烯。这些体系在样品均匀性、可重复性以及能带调控灵活性方面仍存在局限。
针对上述问题，联合团队提出并实现了一种新的平带工程方案——在双层石墨烯中构建人工 Kagome 超晶格。研究通过纳米图案化介电基底，在石墨烯中引入周期性静电势场，从而形成周期约百nm的Kagome 超晶格势场。该方法能够精确调控超晶格周期、对称性及势场强度，并具有良好的可重复性和器件可扩展性。
低温磁输运测量结果表明，在适中的超晶格势场下，体系中出现了一系列具有严格周期性的纵向电阻极小值，其对应的载流子浓度分别为（考虑能谷-自旋简并时）超晶格原胞满填充特征密度ns的1/2、3/4、1 和 3/2 倍。这些电阻极小值在磁场中表现为具有相同朗道能级填充因子（ν = −4）的平行朗道能级轨迹，并可外推至零磁场对应一系列绝缘态，表明该体系中形成了层级化的关联绝缘态结构。
其中，整数倍ns的绝缘态来源于超晶格诱导的能带带隙，而分数倍ns的绝缘态则源于强电子–电子相互作用所产生的对称性破缺关联态。这些分数填充绝缘态在温度升高时迅速消失，表明其关联能隙较小且具有典型的强关联特征。
理论计算表明，Kagome 超晶格势场可以在双层石墨烯中产生带宽小于约5 meV 的平带子能带结构。增强的电子关联作用进一步导致自旋–谷自由度对称性破缺，从而形成实验观测到的堆叠关联绝缘态序列。
与传统莫尔超晶格体系相比，该工作提出的人工超晶格方案具有更高的结构可控性和器件重复性，突破了转角不均匀带来的限制，为平带物理研究提供了一条新的技术路径。该体系不仅为研究二维强关联电子行为提供了理想模型系统，也为未来实现可设计的拓扑态、磁性态以及相关量子器件奠定了基础。
上海科技大学物质学院2023级博士研究生蔡新雨、2024级硕士研究生任风帆，拓扑物理实验室原助理研究员李乔为论文共同第一作者，柳仲楷、寇煦丰、刘健鹏、李乔为共同通讯作者。量子功能材料全国重点实验室、上海科技大学拓扑物理实验室为论文第一完成单位。上海科技大学材料器件中心、软物质微纳加工实验室及高分辨电子显微中心为该研究提供了器件制备与表征的支持。
图1 | 双层石墨烯Kagome人工超晶格器件结构与表征
(a) 双层石墨烯Kagome超晶格器件结构示意图。通过在SiO2介电基底上进行纳米图案化，引入周期性静电势场，在双层石墨烯中形成Kagome人工超晶格。(b) 器件光学显微图像。(c) 原子力显微镜图像显示规则排列的Kagome图案结构。(d) 超晶格势场形成示意图。周期性介电结构在背栅电压作用下产生空间调制的静电势，从而实现能带工程调控。(f) 静电势分布模拟图。
图2 | 双层石墨烯Kagome超晶格中的关联绝缘态输运特征
(a) n-B 参数空间中的高分辨率Rxx分布图。(b) 沿载流子浓度方向对背景扣除后的Rxx求微分后得到的分布图。(c) 不同磁场下背景扣除后的Rxx线切曲线，Rxx极小值表现出斜率一致的线性轨迹（虚线为引导线）。(d) 对 b 图进行快速傅里叶变换(FFT)得到的频谱，分辨出四种载流子浓度周期成分。(e) 与 b 图特征相对应的朗道扇形轨迹示意图。(f) 根据 e 图中线性斜率提取的朗道能级填充因子统计结果，插图为填充因子分布直方图。
论文标题：Stack of Correlated Insulating States in Bilayer Graphene Kagome Superlattice
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