不到2个月！夫妻携手，连发2篇Nature Materials！

今天要给大家介绍一对科研伉俪，他们是康奈尔大学的麦健辉（Kin Fai Mak）教授和单杰教授。目前，这两位杰出的学者均在康奈尔大学从事研究工作。他们的主要研究领域涉及探索原子级薄材料及其异质结构中的新物理现象，包括光谱学、二维量子材料及其异质结构、固体中的Berry曲率效应、二维超导和激子凝聚、磁性以及强相关物理学等方面。截至目前，他们已经在多个重要学术期刊上发表了许多杰出的研究成果，其中包括10篇在《Nature》上发表的研究论文以及30余篇发表在《Nature Materials》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Physics》和《Nature Photonics》等大子刊上的重要研究论文。

单杰教授（左）和麦健辉教授（右）

科学家在扭曲WSe₂四层结构中首次观测到“相对论莫特转变”

石墨烯的发现为研究量子电动力学提供了一个理想的实验平台，其低能激发态表现为二维无质量狄拉克费米子，具有独特的手征性。理论预测，石墨烯中的电子-电子相互作用可能自发打破手征对称性，为狄拉克费米子赋予质量，即发生“相对论莫特转变”。然而，由于相互作用强度不足，该现象一直未在原始石墨烯中被观测到。

近日，康奈尔大学单杰教授和麦健辉（Kin Fai Mak）教授课题组成功在扭曲WSe₂四层结构中实现了强关联人工石墨烯，并首次观测到相对论莫特转变。研究团队通过磁输运测量发现，其Γ谷莫尔价带可模拟石墨烯的低能带结构，并在半填充时表现出无质量狄拉克费米子的特征。当扭转角减小至约2.7°以下时，系统从半金属转变为绝缘态，该绝缘体与反铁磁莫特绝缘体行为一致，为研究强关联狄拉克费米子提供了新平台。相关论文以“Relativistic Mott transition in twisted WSe2 tetralayers”为题，发表在Nature Materials上，论文第一作者为Ma Liguo。

研究团队设计了双栅极器件结构，利用Pt电极和接触栅极实现低接触电阻（图1a）。理论计算表明，在3°扭转的AB-BA堆叠WSe₂四层中，第一莫尔价带具有类似石墨烯的能带结构，狄拉克点位于半填充处（ν=2），并在范霍夫奇点处出现态密度峰值（图1b–c）。通过调节电场，可控制空穴注入Γ谷或K谷，其中Γ谷空穴表现出显著的面内磁阻效应（图1e）。

图1 | 扭曲WSe₂四层中的Γ谷莫尔能带 a. 采用铂电极的双栅WSe₂器件截面示意图。TG和BG为少层石墨电极与hBN介质。Pd接触栅用于开启铂电极。两个WSe₂天然双层界面处形成蜂窝状莫尔晶格（插图），高对称点位于MX和XM亚晶格位点（M=W；X=Se）。 b. 连续模型计算的莫尔布里渊区能带结构。第一莫尔价带（粗线）呈类石墨烯特征。红色虚线表示半填充时的费米能级位于狄拉克点。 c. 计算的态密度随ν变化。 d. 零磁场下20 mK晶格温度时的纵向电阻随ν和E变化。橙色与黑色虚线将相图划分为对应不同谷组成的三个区域：K、Γ+K和Γ谷。 e. 从d中选取的Γ区和K区的面内磁阻。K谷空穴磁阻可忽略，而Γ谷空穴磁阻显著。所有结果针对3°扭转样品。

随后的输运测量进一步验证了石墨烯-like能带特征。电阻峰值出现在ν=1/2、2/3、1、2等填充处，霍尔密度在ν=2处过零，并在范霍夫奇点附近发生符号反转（图2a–b），与狄拉克能带和鞍点态密度特征一致。

图2 | 输运测量揭示的类石墨烯能带结构 a. 图1d在E=0和E=0.1 V/nm处的线切割。在ν=1/2、2/3、1和2以及两个范霍夫奇点处观察到电阻峰。 b. E=0时弱场霍尔密度（单位nH=2.91×10¹⁷ cm⁻²）随ν变化（BL=0.5 T）。虚线为参考ν=0（下线）和ν=2（上线）的掺杂密度引导线。霍尔密度在ν=2处线性过零，并在ν≈1.5和2.2附近的范霍夫奇点处变号。

为证实无质量狄拉克费米子的存在，研究团队在磁场下观测到源自ν=2的朗道扇形结构，其序列为-10、-6、-2、2等，显示出狄拉克费米子特有的贝里相位和零能朗道能级（图3a–b）。此外，通过温度依赖的舒布尼科夫-德哈斯振荡分析，发现回旋质量随载流子密度的平方根变化，进一步支持了无质量狄拉克费米子的行为（图4a–b）。

图3a E=0.1 V/nm时，Rxx随ν和垂直磁场B⊥变化的图谱，显示从ν=2发出的朗道扇形结构。b 从图3a中提取的朗道能级示意图，显示狄拉克费米子特有的无间隙朗道能级序列。

图4 | 扭曲WSe₂四层中密度依赖的回旋质量 a. 3°扭转样品在固定BL=4.2 T时随填充因子ν的舒布尼科夫-德哈斯振荡（温度20 mK至5 K，蓝至红）。插图：n=0.2×10¹² cm⁻²和0.6×10¹² cm⁻²（对应vLL=-2和-6）处振荡幅度的温度依赖。实线为Lifshitz-Kosevich公式拟合。 b. 从Lifshitz-Kosevich分析提取的准粒子有效质量（以电子静质量m0为单位）随密度变化。

最关键的是，当扭转角减小至2.7°以下时，系统在ν=2处由金属性转变为绝缘性，表现为电阻随温度升高而下降（图5a–c）。该转变无法用无序或单粒子能图解释，而是源于电子-电子相互作用导致的自发手征对称性破缺，即相对论莫特转变。随着扭转角减小，费米速度降低，相互作用强度（以Wigner-Seitz半径rs表示）增强，绝缘态在rs≈13时出现（图5d）。

图5 | 狄拉克费米子的相对论莫特转变 a,b. 接近ν=2时Rxx的密度依赖（E=0，BL=0）在θ=3°（a）和2.5°（b）样品中随温度变化。 c. 不同扭转角（1.9°至3.7°）器件在ν=2处的Rxx温度依赖。 d. 从c提取的电荷间隙及从图4b提取的vF随扭转角变化。红色曲线为连续模型计算的vF随角度变化。上轴为狄拉克费米子的精细结构常数。红色阴影区表示低于约2.7°时出现莫特绝缘体。

这项研究不仅首次在凝聚态系统中实现了可调控的强关联狄拉克费米子体系，还为进一步探索手征对称性破缺的临界行为、反铁磁莫特绝缘体及其掺杂相图奠定了基础。未来，通过精确调控扭转角，有望在类似体系中观测到Gross-Neveu普适类行为，推动强关联相对论物理的前沿研究。

来源：高分子科学前沿

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