人们一直在寻找人工可控的超晶格制备方法来实现对其上方复合的二维电子气的能带调控工程。例如，自组装的纳米球、微纳加工的纳米级沟道或孔洞阵列等等。但截至目前，这些人工超晶格受限于微加工尺寸精度等影响，所能发挥的能带调控作用较为有限。基于上述背景，我们提出以下基本问题：

到底有没有一种方法，能够脱离固态材料莫尔斑纹的限制，从库伦相互作用角度构成一个关联强度可原位调控的“量子超晶格”，并进一步借此实现更加多元、丰富的物理现象？

显然，电荷密度波（Charge density wave）或维格纳晶体（Wigner crystal）在空间上排列成的周期格子波长可在纳米到数十纳米范围，似乎可以成为直觉上的备选。

近期研究发现，单层石墨烯与一氯一氧化铬（CrOCl）垂直复合系统中（图1），的确可能存在一种界面准二维电子态（暂且认为时一种量子超晶格）。该界面态主要存在于Cr原子层，也即石墨烯下方0.7 nm处（图1c）。理论上，该界面电子可以通过自身的关联作用发生晶格平移对称性的自发破缺，并趋于形成波长在数纳米至数十纳米范围内的长程电荷序。这种长程序超周期能够进一步加强石墨烯电子自身的电子关联，使得电中性点附近的狄拉克电子费米速度大幅增加并且打开带隙（图1b）。在垂直电场下，界面态与石墨烯的费米面一旦对齐，就会吸纳（通过隧穿的方式完成电荷转移至界面态）一部分本该填充至石墨烯的载流子，这部分载流子一旦进入CrOCl的界面态，便完成Wigner晶格化，成为一套由长程有序电子构成的本身绝缘的超晶格。上述机制下，磁场中样品的双栅调控廊道图案会在一定的相区内发生较大扭曲，如图1d所示。

图3. 界面电荷序导致的石墨烯能带重构。

特别值得一提的是，在这个界面耦合量子霍尔相中，横向电导量子化可以在很小的磁场下发生，并且该行为可维持到液氮温度以上，具有极强的鲁棒性。例如，77 K温度下，本体系实现±2填充系数的横向电导量子化平台所需要的磁场可低至0.35T特斯拉（该磁场强度由一般永磁体提供即可），为目前最低记录；而传统石墨烯的量子化电导在77 K则需要10 T以上磁场才能获得。这使量子化电导边界态在诸如拓扑超导、量子霍尔法珀干涉等未来电子学应用方面从液氦温区向液氮温区迈出了关键一步。

阅读更多>>

阅读更多>>