青年科学家专栏 | 石墨烯莫尔异质结中局域-巡游电子的竞争和耦合

随着物联网、网联汽车等人工智能行业的发展，计算需求呈指数级增长。而传统计算硬件能够提供的计算能力(算力)增长缓慢，导致了计算需求与算力之间存在巨大缺口，这是智能时代面临的最大挑战之一。对于未来计算技术，急需换道发展，探索能够打破冯·诺依曼架构瓶颈的新计算范式，并建立对应的物质和材料基础。其中，物理计算方案是一类将真实物理系统中可变化的物态作为信息载体，同时将物态调控过程作为信息处理（计算）的过程。因此探索和构建新型量子材料，研究其新颖物态和量子调控方法，有望促进新一代智能硬件技术发展。这其中同时具有巡游电子与局域电子的物理系统广泛存在于各类量子材料体系中，是过去几十年凝聚态物理学最重要的研究方向之一。由于巡游电子和局域电子之间的竞争与耦合作用，系统表现出丰富而新奇的量子物态和物态演化规律，可以用来设计并实现物理计算方案。

来自南京理工大学物理学院的程斌联合南京大学类脑智能科技研究中心的陈墨雨、谢永勤、梁世军、缪峰，在《中国科学：物理学 力学 天文学》上发表了综述论文“石墨烯莫尔异质结中局域-巡游电子的竞争和耦合”，总结了转角石墨烯体系中局域-巡游电子的竞争和耦合作用对新物态的形成与演化的影响，以及对新原理器件设计提供的思路。

图1 巡游电子-局域电子竞争的典型相图。在外场g的驱动下，电子系统从电荷有序态经历量子临界区域，转变到费米液体态（黑色实线表示不同相之间的边界），在零温下（T = 0），电荷有序态和费米液体态的分界点称为量子临界点（图中金色五角星）。箭头表示在外场作用下，体系中局域电子向巡游电子转变。

作者首先回顾了手性堆叠转角双层-双层石墨烯（cTDBG）体系的研究。cTDBG体系由两层双层石墨烯（BLG）以特定的转角（如0.75°）堆叠而成，其中一个双层为AB堆叠，另一个为BA堆叠。在cTDBG体系中，电子的局域化和巡游化程度可以通过垂直电位移场D调控。通过连续调节D，可以实现广义维格纳晶体的量子融化。在不同D和温度下，电阻变温行为有三种表现：高温下的奇异金属行为、低温强关联下的局域电子行为（广义维格纳晶体）、低温弱关联下的费米液体行为，符合扩展Hubbard模型的描述。另一方面，随着水平磁场的增大，cTDBG中电子的自旋逐渐完全极化，最终只剩两个能谷自由度，体系的内禀自由度从SU(4)逐渐演变为SU(2)。以上实验结果表明，通过精准构筑石墨烯莫尔异质结，可使其遵循特定强关联物理模型的规律，同时保持优异的物态调控能力，是研究多电子体系中电子局域-巡游演化的理想平台。

作者还回顾了对魔角双层石墨烯与六方氮化硼（hBN）构成的莫尔超晶格的研究。通过测量该系统在不同栅压下的电导特性，可以观察到铁电极化的特征电滞回线。该铁电态被认为来自于hBN与BLG界面的莫尔势场所导致的层极化局域电子态，这些局域电子态在空间中非对称分布，形成了自发电极化。在双侧对齐hBN的魔角石墨烯（DA-MATBG）样品中，霍尔电阻测量显示存在多个量子化平台，表现出非常规铁电性与陈绝缘体的共存。在特定的铁电极化范围内，该系统表现出拓扑陈绝缘体效应，形成拓扑保护的边态；通过施加不同幅值的栅压脉冲，可以将系统从拓扑保护边态切换到不同的铁电极化态，从而实现铁电拓扑开关。这展示出铁电陈绝缘体器件在构筑噪声免疫神经形态计算器件中的巨大潜力。

图2 非常规电子型铁电的开关机制。(a)电子铁电器件的结构示意图。hBN与BLG对齐，在界面产生莫尔超晶格，界面莫尔势能够产生局域电子态，同时BLG中具有巡游电子。(b)电子型铁电开关的示意图。体系的局域电子和巡游电子分别占据莫尔界面和石墨烯层，从而产生了面外电极化。通过施加栅压脉冲V_G，可以非易失地改变体系局域电子和巡游电子的密度，从而实现铁电极化的准连续开关。

作者最后总结了该领域研究的发展前景。一方面，近年有理论模型提出石墨烯莫尔异质结中局域电子和巡游电子会产生近藤杂化作用，并认为其是很多关联量子态例如非常规超导、量子磁性等的起源，但目前直接的实验证据仍然缺失，这是未来需要突破的方向之一。另一方面，在局域-巡游电子共同作用下产生的电子型铁电体系中，铁电极化可以与能带电子携带的各种新奇量子效应共存，这使得可以通过铁电极化的翻转，实现多种量子物态的非易失性电控开关。未来需进一步开发这些铁电量子物态的非易失、低功耗电控技术，实现将这些量子物态作为信息载体的新原理器件。

作者简介

• 程斌

南京理工大学教授，物理学博导，国家优青。本科与硕士均毕业于南京大学物理系理论物理专业，并于2015年获得美国加州大学河滨分校实验凝聚态物理方向博士学位。从事二维材料及异质结中新奇物性的探索与调控研究，具体包括莫尔异质结体系中的关联拓扑物态，二维磁性以及超导二极管体系中的电学调控等。

• 梁世军

南京大学物理学院教授，博士生导师，国家优青。2017年博士毕业于新加坡科技设计大学，获全校最佳博士论文奖。2017年加入南京大学物理学院，先后担任副研究员、副教授和教授至今。主要从事研究方向为低维量子材料与智能器件，具体包括二维量子材料的智能制造与调控、智能半导体、类脑器件与芯片等。

• 缪峰

南京大学物理学院教授、博导，南京大学类脑智能科技研究中心主任。中国物理学会“黄昆物理奖”获得者，“科学探索奖”获得者，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事二维材料的物态调控与新原理计算器件研究。

阅读原文

https://www.sciengine.com/SSPMA/doi/10.1360/SSPMA-2024-0321

陈墨雨, 谢永勤, 程斌, 等. 石墨烯莫尔异质结中局域-巡游电子的竞争和耦合. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2024, 54: 127301.