最近，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院石武青年研究员等人在石墨烯-氮化硼摩尔超晶格体系中利用一种新的可控电子束掺杂技术实现超高载流子浓度掺杂，并观察到高阶分数Brown-Zak（BZ）量子振荡效应及其和载流子浓度的非单调依赖关系。相关研究成果以“High-order fractal quantum osicillations in graphene/BN superlattice in the extreme doping limit”为题在线发表于《物理评论快报》[Physical Reivew Letters 130, 186204(2023)]，并入选了编辑推荐（Editors’ Suggestion）。
二维摩尔超晶格可以通过摩尔周期势对二维材料的本征能带进行调制，极大拓展了其本征物性，表现出更多丰富的量子物性，包括Hofstadter Butterflies能谱、分数量子霍尔效应、高温量子振荡等效应。并且通过精确控制二维材料层间的转角，摩尔超晶格的能带可以形成平带结构，进一步通过调控载流子浓度可实现莫特绝缘体、超导、磁性等强关联效应。因此，摩尔超晶格体系为研究各种丰富的二维量子效应提供了理想的平台。这其中，载流子浓度的调控是关键的实验手段，但目前常规依赖栅极调控能达到的最大载流子浓度有限且缺乏灵活性，限制了对这些量子效应更深入的探索和研究。
针对这一挑战，石武青年研究员等人利用了一种新的可控电子束掺杂技术，将其应用于石墨烯-氮化硼摩尔超晶格器件中实现了超过传统栅极调控范围的超高电子和空穴掺杂，同时维持了器件的摩尔超晶格特性。该技术是石武等人首次于2020年提出的一种非常规载流子调控方法，可实现对二维异质结进行高浓度载流子掺杂和精准的局域调控[Nature Electronics 3, 99(2020)]。借助这一技术，该实验系统研究了石墨烯-氮化硼摩尔超晶格器件在高掺杂下的BZ量子振荡效应。该振荡效应不依赖于朗道量子化，能在高温甚至室温条件下持续，主要归因于磁场下超晶格电子结构的重复变化，具体来说当通过单位超晶格晶胞中磁通量为简分数个磁通量子时，超晶格中的电荷载流子处于非局域的布洛赫态等效于经历无磁场状态。由于通过可控电子束掺杂可以达到之前无法达到的高载流子浓度，在外加9T磁场条件下便可以观察到高阶的分数BZ振荡效应，并且首次在空穴侧观察到三阶到四阶的分数振荡效应。进一步深入的研究发现，这些高阶振荡峰的幅值和载流子浓度的关系并不是单调递增的依赖关系，而是随着载流子浓度增大达到饱和并逐渐减小。紧束缚模型的理论计算结果很好地复现出所观察到的分数BZ量子振荡。并且根据理论结果，这种随载流子浓度非单调增大的关系可以归因于在高载流子浓度区域超晶格效应的逐渐减弱。这一工作从而揭示了超晶格体系中BZ分数量子振荡的新特性，也说明了可控电子束掺杂技术可以帮助研究二维异质结中更多超高载流子浓度下的量子效应。
该工作由复旦大学石武课题组、加州大学伯克利分校Alex Zettl教授课题组和首尔大学Jeil Jung教授课题组等合作完成。石武青年研究员为论文的第一作者和共同通讯作者，加州大学伯克利分校Alex Zettl教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到复旦大学科研启动经费、国自然面上和上海市面上项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.186204
1：（a）利用可控电子束掺杂技术调控石墨烯-氮化硼超晶格器件的实验示意图。（b）石墨烯-氮化硼超晶格器件的电子和空穴掺杂效果。
2：石墨烯-氮化硼超晶格器件在高载流子浓度掺杂下的高阶分数磁阻振荡效应。（a-b）电子掺杂；（c-d）空穴掺杂。
