Emergent electronic insulating states in a one-dimensional moiré superlattice
本研究展示了一维扶手椅型碳纳米管/六方氮化硼异质结构中由莫尔工程诱导产生的电子绝缘态，揭示了虽然单粒子效应可以解释在满填充和电中性填充时的能隙，但相互作用驱动的机制很可能是导致在半填充处观察到的绝缘行为的原因。
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想象一下电子世界是一个由微小、平坦道路组成的繁忙城市。长期以来，科学家们一直在这些平坦道路上构建“莫尔超晶格”（moiré superlattices）。可以将莫尔图案想象成当你将两层精细的网格略微错开并重叠在一起时，所看到的闪烁、波动的干涉现象。在像石墨烯这样具有二维特性的材料的平坦世界中，扭转这些网格会创造出一个巨大的、重复的、由隐形山丘和山谷组成的网格。这个网格就像一个总开关，能将材料从导体转变为绝缘体，或者创造出表现为新型物质的奇异量子态。这是一个强大的技巧，但它一直被困在二维世界里。
现在，想象尝试在一条一维道路上做同样的事情，比如一根单根细线或碳纳米管。这要困难得多。在平坦的世界里，你可以扭转两张薄片来制造一种图案。但在一维世界里，“扭转”通常是随机且不可控的，就像试图在没有引导的情况下，让两个旋转的呼啦圈完美对齐一样。由于缺乏控制这种对齐的方法，科学家们无法在这些细丝上构建可靠的“莫尔网格”。这留下了一个巨大的认知空白：这些一维导线是否能像它们的二维亲戚那样，承载那些神奇的、绝缘的量子态，还是仅仅是些枯燥的金属管道？
本文报告了解决这一问题的巧妙方案。研究人员取用了单壁碳纳米管——一种由碳原子构成的微小中空圆柱体——并将其与一层平坦的六方氮化硼（hBN）进行精确对齐。可以将纳米管想象成一个擀面杖，而将 hBN 想象成一块平坦的面团。通过以恰到好处的角度滚动这个“擀面杖”，他们在管子的长度方向上创造了一个完美的、重复的相互作用模式。这就是他们的“晶格对齐”装置。
当他们在极低温度下测试这些对齐的管子时，发现了一些令人惊讶的现象。尽管单个碳纳米管在自然状态下应该表现为完美的金属（允许电流自由流动），但这些对齐的管子在特定点突然变成了绝缘体。就好像这条路突然出现了系列隐形的、不可逾越的墙壁，完全阻断了交通。这些“绝缘态”出现在三个特定位置：当管子处于空载状态（电中性点）时、当它填满了某种类型的电荷载流子时，以及当它处于半满状态时。研究人员测量了突破这些“墙壁”所需的能量间隙，发现空载点的间隙约为 22 至 26 meV，而在其他两个点，间隙较小，约为 11 至 13 meV。
为了证明这并非偶然或管子的缺陷，他们进行了一项对照实验。他们使用了另一个完全相同的碳纳米管，但将其放置在一个标准的表面上，而非特殊的对齐表面。这个管子的表现完全符合预期：它保持了金属特性，让电流自由流动，没有任何绝缘墙。这种对比证实了“魔力”只有在管子与 hBN 基底完美对齐时才会发生，即通过创建一维莫尔超晶格。
科学家们随后利用计算机模拟来理解其背后的原因。他们发现，当纳米管位于 hBN 上时，它会轻微地变扁，就像轮胎压在地面上一样。这种扁平化结合原子失配，导致原子重新排列成一种模式，其中最稳定的区域（碳原子直接位于硼原子之上）发生了扩张。这创造了一个拥有深邃谷地的景观，这些谷地会捕获电子，从而在能级中打开一个间隙，使金属转变为绝缘体。
然而，论文还强调了一个谜团。计算机模拟仅观察了单个电子在这种新景观中的运动，成功预测了“全满”和“空载”两个点的绝缘态。但模拟未能预测“半满”点的绝缘态。模拟表明，在该点管子应仍表现为金属。由于实验明确显示在半满时也是绝缘体，作者认为那里正在发生更复杂的过程。很可能是电子之间在相互作用，或者在与原子一起振动，而简单的“逐个电子”模拟并未捕捉到这一点。这表明，在一维莫尔系统中，电子的集体行为可能会创造出我们从未见过的全新量子相，从而为探索一维物理学的一个全新领域开启了大门。
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