在这项工作中 ， 合作团队设计并制备了一种新型的「原子乐高」量子模拟器：基于手性堆叠的转角双层-双层石墨烯(chiral-stacked twisted double bilayer graphene)（如图1a-c所示 ， 转角0.75°） 。 该体系具有多条较平的能带 ， 带宽小于10meV ， 并且随着电场的施加形成陈数为零的孤立平带（如图1f所示） ， 并且拥有简并的能谷-自旋自由度 ， 是SU(4)同位旋扩展哈伯德模型的理想固态量子模拟器 。 在实验中 ， 合作团队观察到出现在填充数为7又2/3n0处的新奇绝缘态电阻峰 ， 对应第二个莫尔能带中每3个超晶格上占据1个空穴（如图1e和2a-b所示） 。
这些绝缘态具有显著的非线性电流-电压曲线 ， 同时电阻随着温度的变化关系满足Efros-Shklovskii型的变程跃迁模型 ， 并且电阻随着水平磁场施加急剧增大20倍并且在高磁场下饱和（如图2c-g所示） 。 上述实验结果说明该关联绝缘态在零磁场和高水平磁场下分别为自旋非极化和自旋极化的维格纳晶体 。
图1：手性堆叠0.75°转角双层-双层石墨烯 。 (a-c) 莫尔超晶格和电子输运器件示意图 。 (d) 在1.5K温度、200mT垂直磁场和零垂直电场条件下的纵向电阻和霍尔电阻对载流子浓度的依赖关系 。 （e）电阻随载流子浓度和垂直电场的mapping图 。 （f）在不同垂直电场下的电子能带结构和陈数计算结果 。
合作团队发现 ， 在该量子模拟器中 ， 通过改变垂直电场可以连续精准地调控体系中的电子关联强度 ， 从而实现了维格纳晶体的量子融化 。 与常规的量子相变不同 ， 这类量子融化具有两个不同的量子临界点 ， 并且这两个量子临界点所对应的量子标度行为展现出具有不同临界指数（如图3所示） 。
同时 ， 两个临界点之间的量子临界区域表现为奇异金属行为 ， 且可以持续到最低温 ， 表明临界中间态的存在 。 随着水平磁场的施加 ， 维格纳晶体区域变大 ， 量子临界区域变小 ， 两个量子临界点逐渐靠近并交换位置 ， 形成了一个费米液体和维格纳晶体的重叠区域 。
该重叠区域从最低温一直延续到T*≈5.6K ， 展现出电阻不随温度变化的特性 ， 说明此时关联长度是不随温度变化的常量 ， 这导致量子临界标度行为的失效 。 当温度升高至5.6K以上时 ， 体系中的奇异金属行为和量子临界标度性恢复 ， 从而展现出一种新型的量子临界行为：量子赝临界性（如图4所示） 。
图2：维格纳晶体的实验证据 。 (a) 电阻随载流子浓度和垂直电场的小范围mapping图 。 （b）不同电场下的电阻随载流子浓度变化关系图 ， 清晰显示在7n0和7又2/3n0出现的电阻峰 。 （c-d)在不同的垂直电场和温度下 ， 微分电阻随电流的变化关系 。 （e）不同磁场下电阻随温度的变化关系 。 （f-g）电阻随填充数和水平/垂直磁场的mapping图 。
该「原子乐高」量子模拟器成功模拟了从高对称SU(4)强关联电子系统中具有临界中间相的量子相变到低对称SU(2)电子系统中弱一阶量子相变的原位演化（图4d） ， 不仅让模拟实现和深入理解具有可调内禀自由度的强关联电子系统成为可能 ， 也为未来开发可高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器迈出重要一步 。
图3：零磁场下的量子两步临界性 。 (a)不同电场下的电阻随温度变化曲线 。 （b-c）电阻R以及dR/dT随电场和温度变化的mapping图 。 （d-e)绝缘区域和金属区域的临界标度分析 ， 展示出不同的量子临界点和临界指数 。
图4：强水平磁场下的量子赝临界性 。 (a) 不同电场下的电阻随温度变化曲线 ， 虚线方框内电阻不随温度变化 。 （b）12特斯拉水平磁场下dR/dT随电场和温度变化的mapping图 。 （c）选取温度在5.6K之上以及全温度范围时 ， 成功和失败的量子临界标度行为 。 （d）量子模拟器内禀自由度从SU(4)到SU(2)的连续演化 。
南京大学张勇、肖敏、祝世宁等发明用激光3D打印纳米铁电畴近日 ， 南京大学科研团队发展了一种新型非互易飞秒激光极化纳米铁电畴技术 ， 并在铌酸锂晶体中成功演示了激光3D打印纳米铁电畴 ， 相关工作以「Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains」为题发表在2022年9月15日的Nature上 。 这一工作是该团队在发展激光擦除铁电畴工艺并制备出首个铌酸锂三维非线性光子晶体（Nature Photon. 12 596 (2018); Nature Commun. 10 4193 (2019); Light Sci. Appl. 10 202 (2021); Optica 8 372 (2021)）之后的又一重大突破 。
论文通讯作者为南京大学现代工程与应用科学学院张勇教授 ， 第一作者为顼晓仪博士和王天新同学 ， 论文工作得到了肖敏教授和祝世宁院士的悉心指导 ， 上海理工大学顾敏教授和南京大学吴迪教授提供了重要支持 ， 合作者还包括上海理工大学方心远副教授和中山大学魏敦钊副教授等 。
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