物性物理学：魔法角グラフェン超格子における半充填での相関絶縁体挙動
Nature 556, 7699 doi: 10.1038/nature26154
ファンデルワールスヘテロ構造体は、垂直に積み重なった二次元構成要素が層間ファンデルワールス力で結合したメタマテリアルの一種である。この設計は、ファンデルワールスヘテロ構造体の特性は二次元物質の特性よりも精密に操作できることを意味している。そうした特性の1つが、ヘテロ構造中の異なる層がなす「ねじれ」角である。ねじれ角は、ファンデルワールスヘテロ構造体の電子特性において重要な役割を担っているが、他のタイプのヘテロ構造体、例えば分子線エピタキシー法で成長させた半導体には、これに直接類するものがない。ねじれ角が小さい場合、二次元層間の格子の方位差によって生じるモアレパターンが積層秩序の長距離変動を生じさせる。これまでのところ、ファンデルワールスヘテロ構造体におけるねじれ角の影響に関する研究は、主として、六方晶窒化ホウ素上に単層グラフェンを重ねたヘテロ構造体に重点が置かれていた。このヘテロ構造体は、六方晶窒化ホウ素のバンドギャップが大きいため、層間相互作用が比較的弱い。今回我々は、2つのグラフェン層が相対的に特定角度だけねじれた構造の2層グラフェンからなるヘテロ構造体について調べた。我々は、理論予測どおり、ねじれ角が「魔法」角に近いと層間結合が強いためゼロフェルミエネルギー付近の電子バンド構造が平坦になることを実験的に示す。こうした平坦なバンドは半充填で絶縁状態を示すが、この状態は電子間に相関がなければ現れないと予想されている。我々は、この半充填での相関状態がモット的な絶縁状態と一致し、モアレパターンに誘起される超格子に局在した電子に起因している可能性があることを示す。魔法角ねじれ2層グラフェンヘテロ構造体のこうした特性から、無磁場下での他の二次元エキゾチック多体量子相の研究に、この物質を利用できる可能性があることが示唆される。電気的に調節可能なために平坦なバンドを実現でき、ねじれ角を通してバンド幅を調節できることから、非従来型超伝導体や量子スピン液体などのよりエキゾチックな相関系の研究への道が開かれる可能性がある。
