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Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices

范德瓦尔斯力 凝聚态物理 异质结 石墨烯 超晶格 材料科学 超导电性 物理 莫特绝缘子 绝缘体(电) 纳米技术 量子力学 光电子学 分子
作者
Yuan Cao,Valla Fatemi,Ahmet Kemal Demir,Shiang Fang,Spencer Tomarken,Jason Luo,Javier Sanchez-Yamagishi,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Efthimios Kaxiras,Ray Ashoori,Pablo Jarillo‐Herrero
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:556 (7699): 80-84 被引量:4780
标识
DOI:10.1038/nature26154
摘要

Van der Waals (vdW) heterostructures are an emergent class of metamaterials comprised of vertically stacked two-dimensional (2D) building blocks, which provide us with a vast tool set to engineer their properties on top of the already rich tunability of 2D materials. One of the knobs, the twist angle between different layers, plays a crucial role in the ultimate electronic properties of a vdW heterostructure and does not have a direct analog in other systems such as MBE-grown semiconductor heterostructures. For small twist angles, the moir\'e pattern produced by the lattice misorientation creates a long-range modulation. So far, the study of the effect of twist angles in vdW heterostructures has been mostly concentrated in graphene/hexagonal boron nitride (h-BN) twisted structures, which exhibit relatively weak interlayer interaction due to the presence of a large bandgap in h-BN. Here we show that when two graphene sheets are twisted by an angle close to the theoretically predicted 'magic angle', the resulting flat band structure near charge neutrality gives rise to a strongly-correlated electronic system. These flat bands exhibit half-filling insulating phases at zero magnetic field, which we show to be a Mott-like insulator arising from electrons localized in the moir\'e superlattice. These unique properties of magic-angle twisted bilayer graphene (TwBLG) open up a new playground for exotic many-body quantum phases in a 2D platform made of pure carbon and without magnetic field. The easy accessibility of the flat bands, the electrical tunability, and the bandwidth tunability though twist angle may pave the way towards more exotic correlated systems, such as unconventional superconductors or quantum spin liquids.
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