转角石墨烯是一种以单层或者多层石墨烯为母体，通过层间扭转堆垛形成的莫尔超晶格结构，其强烈的层间莫尔势能会诱导拓扑平带的形成。自从2018年魔角石墨烯（1+1）中的关联绝缘态和超导态被发现以来，该领域迅速发展并吸引了大量科学家的目光，很快就形成了一门新的科学分支—转角电子学，并成为该领域的前沿研究方向。相比于魔角石墨烯，转角双层-双层石墨烯（2+2）莫尔超晶格体系中具有更加丰富的调控手段，其能带结构可以被电场调节，可以实现拓扑平带以及关联强度的原位调控。最近，在2+2体系中能带半填充处实现的自旋极化的关联绝缘态以及轨道塞曼效应诱导的谷极化关联绝缘态引起了凝聚态领域的广泛关注。
对关联绝缘态的输运研究一般集中在与低能激发相关的热激活能隙上，类似金属中的量子振荡行为原则上不可能在绝缘态中出现。然而近些年在近藤绝缘体SmB6、YbB12，InAs/GaSb量子阱以及激子绝缘体WTe2中都观察到了绝缘态的量子振荡行为，这引起了学界的热议，也预示着可能的新物理。目前这些反常振荡的起源还有待探讨，也亟需一个更简单、可调的体系来揭示其中的奥秘。
Science Bulletin 近期发表的一项工作对转角双层-双层石墨烯中谷极化的关联绝缘态进行了深入研究。如图1所示，在莫尔价带半填充处关联绝缘态会随着垂直磁场的增加出现，并且其电阻会随着电位移场和磁场发生振荡。
图1. 价带半填充处关联绝缘态的量子振荡，其以磁场的倒数为周期振荡，且振荡频率大概为13 T。
通过系统研究其输运行为对温度的响应，发现价带半填充处的基态在垂直磁场的诱导下会发生金属-绝缘体相变，并且量子振荡只在绝缘态区域出现。此外，与金属中的量子振荡不同，绝缘态的纵向电阻和电导呈现出反相振荡的行为（图2所示）
图2. 温度依赖的量子振荡行为。在B = 1.2 T附近基态发生了金属绝缘体相变，并且量子振荡只发生在绝缘态区域。
这种反常量子振荡行为还能被电位移场所调控（图3所示）。通过快速傅里叶变换发现其振荡频率随电位移场的增加而线性减小，并根据振荡频率和振荡振幅对温度的响应提取了载流子浓度和有效质量，进一步证明这些物理量和电位移场之间存在强烈的依赖关系。
图3. 电场可调的量子振荡，其中振荡频率和振幅随温度的依赖都与电位移场相关。
结合理论计算发现这种反常振荡行为可以用一个唯象的反带模型描述（图4所示），并通过该模型成功复现了实验现象。
图4. 利用反带模型复现实验现象，其中电位移场可以调节两个谷子带的交叠面积，进而给出了振荡频率随电场的依赖关系。
该工作首次在莫尔体系中观察到绝缘态的量子振荡现象，这拓宽了人们对转角体系中关联效应诱导的复杂能带的认识，并为揭示绝缘体中反常振荡的物理机制提供了思路。
第一作者 ▼
刘乐
现为中国科学院物理研究所在读博士生，研究方向为二维转角体系的输运性质。
通讯作者 ▼
杨威
中国科学院物理研究所特聘研究员，主要研究兴趣集中在低维体系及莫尔超晶格的量子输运研究。
张广宇
中国科学院物理研究所研究员，研究兴趣集中在二维材料的新奇物理性质以及相关的器件应用。