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石墨烯掺杂研究达到新水平

戴闻 编译 中国物理学会期刊网 2021-03-24

本文选自《物理》2021年第1期

(中国科学院理化技术研究所 戴 闻 编译自 Michael M. Scherer. Physics,October 19,2020)



关于掺杂石墨烯的新实验,令这种二维材料超越了“Van Hove奇点”,进入到可能会存在奇异物质态的区域。



石墨烯以其独特的电子特性而闻名,例如狄拉克点,在材料能带结构中的这个点,电子行为类似于高能粒子。一个载荷电子通过狄拉克样式的石墨烯,就会像一个粒子,几乎不与它的许多同类相互作用。现在,Philipp Rosenzweig 和他来自德国马克斯·普朗克固体研究所的同事们,在石墨烯中添加了过量的电荷载流子,将载流子的能量从上述狄拉克点移动到范霍夫(Van Hove)点,甚至更高。据报道,这是第一次。


石墨烯的电子能带结构展现出所谓的Van Hove奇点,即态密度发散的点。这种发散发生在多个 Van Hove点(黄色点),它们的能量高于众所周知的狄拉克点(红色点)。当石墨烯被掺杂时,费米能级(绿线)向上移动,到达Van Hove奇点或更高的位置,导致增强的多体效应,从而产生集体态,诸如超导电性和磁性的非常规形式


Van Hove点具有大量的态,这为电荷载流子提供了充分的相互作用、协同,以及形成集体物质态的机会,如磁性和超导电性。这种集体态不能用单粒子图像来描述。令人兴奋的是,理论预测的掺杂石墨烯包括的奇异态,如高温手征拓扑超导,现在可以用Rosenzweig演示的可控掺杂技术来探索。


在石墨烯等二维材料中,它们能带的特征是电子态密度存在发散的点——称为Van Hove奇点。如此多的状态集合,增强了多体相互作用的影响,并支撑物质集体态的形成。但是,具体是哪一种集体态是不确定的,因为在 Van Hove 奇点,磁性和超导电性(以及其他有序相)之间存在着微妙的竞争,而“赢家”取决于能带的精细形状。这种类型的竞争,可能有助于解释高温超导体和魔角双层石墨烯中观察到的超导电性。在非常规超导体的Van Hove场景中,人们认为电子之间的排斥相互作用会引起涨落——例如导致自旋波——这反过来又会引起吸引相互作用。这些吸引成分可以促进库珀对的形成,从而促进产生超导电性。测试这种情况,是将石墨烯掺杂到高水平的主要动机之一。


石墨烯是研究Van Hove超导电性的一种很有前途的候选材料。它的六方对称性,在磁性和超导电性之间的平衡中,绝对地有利于后者(即超导)。在原始单层石墨烯中,费米能级(在零温下表征最高填充电子能级),与Van Hove点相对较远(几个电子伏特)。然而,Van Hove点可以通过化学掺杂而达到,例如通过插层。通过在石墨烯单层和衬底之间插入某种类型的原子,使电荷载流子从插层原子转移到石墨烯。根据插层原子的选择,转移电荷的数量是不同的。这种化学掺杂技术可以使石墨烯中的费米能级接近Van Hove点。


在新实验中,Rosenzweig 和同事们通过镱(Ytterbium)插层来研究掺杂石墨烯单层。为了从电子能带结构的角度分析掺杂的结果,他 们 使 用 了 角 分 辨 光 电 子 能 谱(ARPES),其动量分辨率高,工作于低温 20 K。实验观察到,镱和石墨烯之间的电荷转移导致石墨烯的能带被填满,将费米能级从狄拉克点移动到Van Hove点。光电子能谱数据还表明,石墨烯的导带被强烈地扭成了一个平坦的带,延伸到宽范围的晶体动量空间。此外,费米能级被钉在Van Hove点上,产生了一个扩展的Van Hove奇点。


然而,研究人员并没有止步于Van Hove奇点。他们通过继续沉积钾在石墨烯片上,提供了额外的电荷转移。这种混合掺杂过程导致了电荷载流子密度的进一步增加,最终使费米能级从Van Hove奇点退钉扎。这些掺杂技术为在Van Hove点附近系统地探索石墨烯奠定了基础。


此外,扩展的Van Hove奇点可能导致比预期更高的态密度,这可能使超导态具有更高的转变温度。什么样的超导电性可能存在于Van Hove掺杂的石墨烯宿主?答案可能是手征拓扑超导。这对于未来的技术应用,例如量子计算,前景广阔。





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