当电子限域在二维界面时，在相互作用下可以形成长程序，例如Wigner电子晶体。近年来，长程电荷序已经在多个材料体系中被谱学等实验方法于实空间中观测到。这种电子晶体在二维情况下库伦势的周期性以及特有的对称性和晶格参数，本身可视为一个兼具丰富物理和外场调控性的量子超晶格。基于该量子电子长程序与置于其上的二维电子气的界面耦合关联，将为我们提供一个独特的研究平台，用来揭示新型关联效应电子物态的形成机制。
基于上述背景，量子光学与光量子器件国家重点实验室韩拯教授课题组与国内外多家单位合作，发展了一种通过Wigner电子晶体对二维电子气中关联效应的协同耦合调控方法，基于此开展了界面电荷序对高迁移率狄拉克费米子量子输运影响的实验研究。利用该界面电荷序，研究团队发现了单层石墨烯能带重构带来的费米速度增强效应，以及双层石墨烯电中性点区域的新型关联绝缘态。
实现关联效应诱发的极具鲁棒性量子霍尔态
研究团队发现，单层石墨烯与一氯一氧化铬（CrOCl）垂直复合系统中的界面准二维电子态可以自发对称破缺，并趋于形成波长在数纳米至数十纳米范围内的电荷序。这种长程序超周期能够进一步加强石墨烯电子自身的电子关联，使得电中性点附近的狄拉克电子费米速度大幅增加并且打开带隙。在这个界面耦合量子霍尔相中，横向电导量子化可以在很小的磁场下发生，并且该行为可维持到液氮温度以上，具有极强的鲁棒性。
例如，77K温度下，本体系实现±2填充系数的横向电导量子化平台所需要的磁场可低至0.35特斯拉（该磁场强度由一般永磁体即可提供），为目前最低记录(Nature Nanotechnology , 17, 1272, 2022)；而传统石墨烯的量子化电导在77 K则需要10 T以上磁场才能获得（图1-图2）。这使量子化电导边界态在诸如拓扑超导、量子霍尔法珀干涉等未来电子学应用方面从液氦温区向液氮温区迈出了关键一步。
实现基于量子效应的新原理半导体逻辑器件
研究团队发现，具有双栅的Bernal堆叠的双层石墨烯（BLG）与少层反铁磁绝缘体一氧一氯化铬（CrOCl）垂直异质结处于低温基态（1.5 K温度）时，在垂直电场调控下，BLG呈现反常的双栅调控关系，中性点（charge neutrality point，CNP）发生巨大弯曲（图3），并且在弯曲后的中性区域中呈现出一种新奇绝缘态，电阻可达10 GOhms。这与传统BN夹持的BLG表现出了巨大的反差。后者虽然也会因垂直电场打开能隙，但只有CNP附近较窄区域的掺杂才有绝缘态，并且电阻随垂直电场单调增加，最通常为MOhms量级。
理论团队通过计算发现，在垂直电场下，石墨烯中的电荷可转移至一氯一氧化铬界面态并发生自发对称破缺，形成波长在数纳米至数十纳米范围内的电荷序。这种长程序扮演了超周期库伦势的角色，进一步加强上方双层石墨烯自身的电子关联，使得电中性点处的电子-空穴激子配对增强因而在临界温度以下打开关联带隙，体现为输运上可被面内电场、垂直电场、温度、载流子浓度等参数调控的量子绝缘体，临界温度高达40 K。团队进一步演示了基于该量子效应的半导体逻辑器件原型(Nature Communications, 14, 2136, 2023)。
长程电荷序对二维电子态调控的普适性
团队理论合作者之一，上海科技大学刘健鹏教授，从理论角度进一步提出，这种电子超晶格库伦势与置于其上的二维电子气之间的协同耦合机制是一种普适的调控方法，有望在更多二维电子气体系中发现有趣的物理现象。
理论研究发现，二维电子气与长程电荷序之间可以存在互相促进的相互作用，使得电子超晶格更加趋于稳定，并进一步反馈到上方的二维电子气，呈现独特的关联现象。特别地，当体系中考虑Wigner电子晶体的各向异性时，体系还可能出现拓扑非平庸的量子物态(Nature Communications, 14, 5550, 2023)。
上述系列研究工作由山西大学光电研究所与上海科技大学刘健鹏教授课题组、北京大学叶堉教授课题组、中科院半导体所常凯院士课题组、中国科学院大学毛金海研究员课题组，以及日本国立材料科学研究所、沈阳材料科学国家研究中心、辽宁材料实验室等国内外多家单位合作完成。
研究得到了国家自然科学基金（面上项目、“第二代量子体系的构筑与操控”重大研究计划重点项目）、国家重点研发计划（纳米专项、量子调控专项）、山西省“1311”工程、教育部“部省合建”重点高校项目、量子光学与光量子器件国家重点实验室、辽宁材料实验室等支持。
相关论文原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01248-4
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37769-2
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41293-8