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米测MeLab

2025-10-24

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

一、研究背景

石墨烯因其独特的二维蜂窝状晶格结构而具有非凡的电子特性，其低能激发表现为手性无质量狄拉克费米子，为研究量子电动力学现象提供了桌面实验室。理论推测，石墨烯中的电子-电子相互作用可能自发打破手性对称性，从而诱导狄拉克费米子产生有限质量。

二、关键问题

目前，目前的研究主要存在以下问题：

1、相对论性莫特相变尚未被真实观察到

尽管理论预测电子-电子相互作用可以驱动自发手性对称性破缺（即相对论性莫特相变），但这一现象尚未在原始石墨烯中被观察到。

2、显著降低电子费米速度对于莫特相变研究十分重要

未能观察到该相变的原因在于原始石墨烯的相互作用强度不足。需要进一步显著降低电子费米速度 (v_F)，才能增强相互作用效应，从而进入相对论性莫特相变的区域。

三、新思路

有鉴于此，康奈尔大学单杰教授、麦健辉教授等人报道了在扭曲的 WSe₂ 四层结构中实现了强关联人工石墨烯，并观察到了相对论性莫特相变。利用磁输运测量，研究表明第一个 G谷莫尔价带模拟了低能石墨烯能带结构。在半带填充时，该系统表现出无质量狄拉克费米子的标志性特征，包括源于π贝里相位的反常朗道扇形图，以及回旋加速器质量对密度的平方根依赖性。通过将扭转角减小到约2.7°以下，将相互作用调控跨越了半金属-绝缘体转变。出现的绝缘体与反铁磁莫特绝缘体相容。该结果为在凝聚态系统中研究强关联狄拉克费米子开辟了可能性。

技术方案：

1、展示了扭曲WSe₂四层结构中G谷莫尔价带模拟强关联石墨烯物理特性

作者通过扭曲WSe₂四层结构模拟强关联石墨烯特性，利用双门控设备控制掺杂密度和电场，观察到类石墨烯能带结构及狄拉克点等特征。

2、证明了无质量狄拉克费米子的标志性特征

作者通过磁场响应研究证明ν=2附近出现无质量狄拉克费米子，观察到异常朗道能级序列、量子化霍尔电导及费米速度等特征。

3、研究了相对论性莫特相变

费米速度降低增强电子相互作用，引发相对论性莫特相变，扭曲角减小使体系从金属性变绝缘体，出现能隙，与库仑排斥致手性对称性破缺一致，ν=2绝缘体掺杂或现反铁磁金属态。

技术优势：

1、首次观察到相对论性莫特相变

本文通过在扭曲WSe₂四层结构中构建强关联人造石墨烯，实现了对电子-电子相互作用驱动的相对论性莫特相变的实验观察，证明了莫尔超晶格是研究强关联狄拉克费米子物理的理想平台。

2、验证了无质量狄拉克费米子特性

实验上在G谷莫尔价带中证实了无质量狄拉克费米子的关键特征，包括由四重简并和π贝里相位决定的异常朗道能级序列 (n_LL=±2，±6，…)，以及与扭转角相关的费米速度显著降低和回旋加速器质量的平方根密度依赖性。

技术细节

G谷莫尔能带和类石墨烯能带结构

研究人员利用扭曲WSe₂四层结构中的Γ谷莫尔价带模拟强关联石墨烯的物理特性。选择该结构是因为强大的层间杂化作用使Γ谷态高于K谷态，且Γ谷态的自旋轨道耦合可忽略，可用单带哈密顿量描述。通过双门控设备，研究人员独立控制了空穴掺杂密度（填充因子ν）和垂直电场（E）。在3°扭曲样品中，零磁场下的纵向电阻Rxx随ν和E变化，划分为Γ谷、Γ+K谷和K谷三个区域。在Γ谷区域，电场对Γ谷态影响较弱。输运和霍尔密度数据证实了类石墨烯能带结构的出现。在ν=2处，霍尔密度消失且电阻峰表现出金属性温度依赖性，与狄拉克点出现一致。ν≈1.5和ν≈2.2附近的电阻峰和霍尔密度符号变化与能带结构中的范霍夫奇点一致。

图  扭曲WSe₂四层膜中的Γ谷莫尔带

图  输运测量揭示的类石墨烯能带结构

无质量狄拉克费米子的标志性特征

研究人员通过研究磁场响应来证明ν=2附近出现了无质量狄拉克费米子。在3°扭曲样品的朗道扇形图中，低磁场下朗道能级填充因子ν_LL遵循异常序列 -10、-6、-2、2，以4为步长的等距能级序列是无质量狄拉克费米子的标志性特征，源于载流子的四重自旋 - 谷简并性。从ν_LL=-2到ν_LL=2的不间断步骤以及半整数4e²/h处的量子化霍尔电导，表明在狄拉克点处存在由电子和空穴共享的朗道能级，相当于π贝里相位。此外，通过对舒布尼科夫 - 德哈斯振荡振幅的温度依赖性分析，提取的回旋加速器质量m*随密度的变化趋势证实了m*∝√n的关系。拟合出的费米速度v_F（如3.0°样品约为（2.5±0.5）×10⁴ m/s）比石墨烯中的v_F小近两个数量级。

图  扭曲四层WSe₂中的朗道风扇

相对论性莫特相变

费米速度的显著降低增强了电子-电子相互作用强度，为研究相对论性莫特相变创造了条件。研究人员观测到ν=2附近电阻R_xx随温度和扭曲角的变化，发现扭曲角减小，体系从金属性转变为绝缘体，且当扭曲角低于2.7°时，出现随角度减小而增加的能隙，这种半金属 - 绝缘体转变与单粒子能带理论不符，而是与库仑排斥引起的自发手性对称性破缺转变一致。通过精细结构常数r_s评估相互作用强度，相变发生在r_s≈13处。对ν=2绝缘体进行掺杂的初步研究发现，在临界温度和磁场以下可能出现反铁磁金属态，与蜂窝状莫特绝缘体的反铁磁性莫特相变情景相一致。

图  扭曲四层WSe₂中密度相关的回旋质量

图  Dirac费米子的相对论Mott跃迁

五、展望

总之，本研究发现扭曲WSe₂四层膜中的Γ-谷莫尔价带可实现人工石墨烯，且其精细结构常数可通过改变扭曲角调节。当扭曲角低于约2.7°时，会出现由电子-电子相互作用驱动的自发手性对称性破坏跃迁，候选基态包括Mott绝缘体和电荷有序态等。初步研究还表明，在特定条件下，掺杂ν = 2的绝缘体会导致反铁磁金属。这些结果与莫特方案一致，角度控制可用于测试相对论性莫特跃迁的相关特性。

参考文献：

Liu, C., Jiang, Y., Shen, B. et al. A full-featured 2D flash chip enabled by system integration. Nature (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09621-8