ナノ科学：ねじれ二重2層グラフェンにおける調整可能なスピン偏極相関状態
Nature 583, 7815 doi: 10.1038/s41586-020-2458-7
格子における電子のエネルギーバンド幅を、長距離クーロン相互作用エネルギー未満に減少させることで、相関効果が促進される。ねじれ角を制御してファンデルワールス・ヘテロ構造を積層させることで形成されるモアレ超格子によって、電子バンド構造の操作が可能になる。操作されたモアレフラットバンドにおいて、エキゾチックな量子相が現れる可能性がある。最近、魔法角ねじれ2層グラフェンのフラットバンドにおいて、相関絶縁体状態、超伝導、異常量子ホール効果が発見されたことで、他のモアレ系における相関電子状態の探索に拍車がかかっている。ファンデルワールス・モアレ超格子の電子的特性は、構成層の層間結合やバンド構造を調節することによってさらに調整できる。今回我々は、ねじれ二重2層グラフェン（TDBG）のファンデルワールス・ヘテロ構造を用い、さまざまなねじれ角において、垂直電場によってフラット電子バンドを調整できることを実証する。TDBGは、魔法角ねじれ2層グラフェンと同様に、1/2充填および1/4充填フラットバンドにおいてエネルギーギャップを示し、これは、相関絶縁体状態の発現を示唆している。これらの絶縁体状態のギャップは面内磁場とともに増大することが見いだされ、強磁性秩序の存在が示唆された。また、1/2充填絶縁体にドーピングすると、抵抗が温度の低下とともに突然低下することが観測された。この臨界的挙動は密度–電場面の小領域に限定されており、常伝導金属からスピン偏極相関状態への相転移に起因する。電場によって調整可能なTDBGにおいてスピン偏極相関状態が発見されたことで、相互作用駆動量子相を操作する新しい方法が得られる。
