近年来，物理学家发现了能够将自身电气特性从金属转换为绝缘体，甚至转换成超导体的材料，超导体是一种无摩擦状态的材料，允许电子以零电阻流动。这些可转换材料，包括“魔角”石墨烯和其他合成的二维材料，研究人员可以根据施加的电压或电子电流改变电子的状态。

驱动这些可转换材料的潜在物理原理还是一个谜，尽管物理学家怀疑它与“电子相关性”——也就是两个带负电荷电子之间的相互作用——所产生的影响有关。这些粒子的排斥力对大多数材料的性质改变几乎没有影，但在二维材料中，这些量子相互作用可能是最主要的影响。了解电子相关性如何驱动电子状态，可以帮助科学家设计如非常规超导体等有奇特功能的材料。

现在，麻省理工学院和其他地方的物理学家在理解电子相关性方面迈出了重要的一步。近日发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员揭示了一种名为“ABC-三层石墨烯”的二维材料中电子相关性的直接证据。这种材料先前已被证明可以从金属转变为绝缘体再转变成超导体。

该团队研究人员首次直接检测到材料特殊绝缘态下的电子相关性。他们还量化了这些相关性的能量尺度，或者说是电子之间相互作用的强度。结果表明，ABC-三层石墨烯可以成为探索和设计其他电子相关性的理想平台，例如那些驱动转变为超导性的电子相关性。

在ABC-三层石墨烯中，三个石墨烯片以相同的角度堆叠并略微相互偏移，就像是分层的奶酪片一样。当ABC-三层石墨烯以0度扭曲角度放置在六方氮化硼(hBN)上时，产生的结构是由周期性能量阱组成的莫尔超晶格，这种配置决定了电子如何流过材料。这种晶格结构会迫使电子局域化，并为电子相关性对材料的宏观性质产生巨大的影响奠定了基础。

他和他的同事试图探索 ABC 三层石墨烯以寻找电子相关性的直接证据并测量它们的强度。他们首先合成了一个材料样本，创建了一个带有能量阱的超晶格，每个能量阱通常可以容纳两个电子。他们施加的电压刚好足以填满晶格中的每个孔。

然后，他们寻找材料处于理想状态的迹象，以使电子相关性占主导地位并影响材料的特性。他们专门寻找“平带”结构的迹象，其中所有电子具有几乎相同的能量。研究小组推断，拥有具有广泛能量范围的电子的环境过于嘈杂，以至于电子关联的微小能量无法产生影响。一个更平坦、更安静的环境将允许这些影响通过。

该团队使用他们开发的一种独特的光学技术来确认该材料确实具有扁平带。然后他们稍微调低电压，使得只有一个电子占据晶格中的每个阱。在这种“半填充”状态下，该材料被认为是一种莫特绝缘体——一种奇怪的电状态，应该能够像金属一样导电，但相反，由于电子相关性，该材料表现为绝缘体。

论文主要作者、麻省理工学院物理学助理教授Long Ju和他的同事想看看他们是否可以在半填充的莫特绝缘态下检测到这些电子相关性的影响，也想观察如果他们通过移动电子来扰乱状态会发生什么。如果电子相关性有任何影响，那么电子的这种扰动就会遇到阻力，因为电子间会自然的相互排斥。

为了克服这种阻力，它需要额外的能量提升——刚好足以克服电子的自然排斥力。该团队推断，这种提升的幅度将是电子相关性强度的直接衡量标准。研究人员使用光来提供额外的能量。他们将不同颜色或者说是不同波长的光照射到材料上，并寻找材料吸收的峰值或单个特定的波长。该波长对应于一个光子，其能量刚好足以将电子踢入到相邻的半填阱中。

在他们的实验中，该团队确实观察到了一个峰值，这是首次直接检测到这种特定莫尔超晶格材料中的电子相关性。然后他们测量了这个峰值以量化电子排斥力的强度。他们确定这大约是20毫电子伏，或1/50电子伏。

结果表明，强电子相关性是这种特殊二维材料物理特性的基础。Ju教授表示，莫特绝缘态特别重要，因为它是非常规超导的母态，而这一状态的物理学原理仍然不为人所知。通过这项新研究，该团队已经证明ABC-三层石墨烯与hBN组成的莫尔超晶格是探索和设计更奇特电子状态(包括非常规超导性)的理想平台。

Ju指出，该团队的光学技术可以应用于其他二维材料以揭示类似的奇异状态。他说：“今天，超导性仅在现实环境中非常低的温度下发生。如果我们能够理解非常规超导的机制，也许我们可以将这种效应提升到更高的温度。这种材料为理解和设计更强大的电子状态和设备奠定了基础。”（编译:Qtech）