范德华层状功能材料能够以‘纳米积木’的方式，堆叠、构建新架构，无需晶格匹配即可“自下而上”的垂直组装。该体系近年来迅猛发展，不断在微纳器件的新制造方式、新原理、新范式、新尺寸极限方面取得重要突破。其中，新兴领域旋转电子学（Twistronics）最为引人关注。通过精确旋转堆叠，人们能够从原子层次操控晶格结构在界面处的对称性，达到原子尺度精准调控体系能带结构的效果，从而彻底改变材料的本体性能。
近日，沈阳材料科学国家研究中心科研人员与国内外多家单位合作，通过范德华堆垛精准控制角度在1度以内，将石墨烯的上下表面分别与氮化硼对齐堆叠，形成上下表面双重对齐的moiré超晶格，从而对石墨烯的能带达到复杂而有趣的调控，并在该双重moiré超晶格中发现弱相互作用下的强关联电子态。在《自然-通讯》(Nature Communications) 发表题为“hBN/graphene/hBN双重对齐超势阱中单层石墨烯的关联电子态”（Correlated states in doubly-aligned hBN/graphene/hBN heterostructures）的研究论文。
研究人员利用二维晶体上下表面可以同时存在周期一致的双重对齐moiré超晶格这一特殊性质，采用精准控制角度的干式堆叠方法，制备了上下表面均接近0度对齐的h-BN/graphene/h-BN异质结（图1-2）。对这一实验上较难实现的复杂模型（计算表明，关联带隙的产生要求上下表面对齐度容差小于0.5度）进行了系统的低温量子输运表征（图3-5）。理论上，在连续模型中引入谷间相干（Inter-Valley Coherence， IVC）序参量时，发现动量空间某些点的IVC振幅可达100 meV量级，因此在整数填充-5、-6、-7 n0处（也即每个moiré超胞面积内填充5、6、7 个空穴时）打开global gap的尺寸分别可达1.42、 1.90、和 1.35 meV。这与实验上可重复观测到的-5、-6、-7 n0的整数空穴填充处的绝缘态行为相吻合（图6-7）。理论和实验自洽地证明该系统在-5到-7n0整数填充处产生的能隙为弱相互用下导致的强关联带隙，也是首次观测到二维moiré超晶格中弱相互作用下的电子关联现象。
该工作由沈阳材料科学国家研究中心与山西大学、北京大学、上海科技大学、北京计算科学研究中心、日本国立材料研究所等单位合作完成。孙兴丹（国研中心）、张世豪（上海科技大学）、刘志勇（国研中心）为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、沈阳材料科学国家研究中心、国家重点研发计划青年项目等支持。
图1. 双重moiré超势阱中单层石墨烯样品的表征
图2. 原子力显微镜实空间扫描得到双重moiré超势阱的形貌相
图3.不考虑关联效应时的双重moiré超势阱中石墨烯能带结构（a-c）和不同对齐角度下双重moiré超势阱中单层石墨烯样品的实际测量结果（d-e）
图4. 双重moiré超势阱中单层石墨烯样品的变温场效应曲线
图5. 双重moiré超势阱中单层石墨烯中的整数填充绝缘态和热激发能隙
图6. 计算得到的双重moiré超势阱中单层石墨烯在动量空间的IVC序
图7. 双重moiré超势阱中单层石墨烯的场效应曲线磁场依赖和计算所得各整数填充时的能带结构
