【蔻享科讯】中国科大和武汉大学在转角双层石墨烯研究中取得重要进展

更多精彩视频登陆网站

www.koushare.com

背景介绍

范德瓦尔斯堆叠的双层石墨烯具有一系列新奇的电学性质（例如，电场可调控的能隙、随扭转转角变化的范霍夫奇点以及一维拓扑边界态等）。特别地，当双层石墨烯的扭转转角减小到一系列特定的值（魔角）时，体系的费米面附近出现平带，电子在能量空间高度局域，电子-电子相互作用显著增强，出现莫特绝缘体和反常超导量子物态。另一方面，这些新奇的性质与双层石墨烯体系的扭转角度有着严格的依赖关系，体系层间相互作用随着转角减小会逐渐增强，因此探寻和研究这种层间耦合对理解扭转双层石墨烯的电子结构和物理性质至关重要。

实验、理论重大突破

中国科大秦胜勇研究组、武汉大学袁声军研究组和其他国内外同行合作，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，首次在双层转角石墨烯体系中发现了本征赝磁场存在的重要证据，结合大尺度理论计算指出该赝磁场来源于层间相互作用导致的非均匀晶格重构。该研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”为题，于2020年1月17日发表于国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
图：小角度双层石墨烯中本征赝磁场的发现。对于转角为0.48度的双层石墨烯，在不加外磁场情况下，实验发现了贋朗道能级（图b），理论计算进一步验证了这种贋磁场行为（图c），并估算出贋磁场值大约为6特斯拉（图e）。该团队系统研究了小角度下（<1°）双层石墨烯的电学性质，首次证实了由晶格重构导致的本征赝磁场。首先，研究人员发现体系中赝磁场导致了低能载流子的能量量子化，并计算出这种本征赝磁场在实空间的分布。研究发现赝磁场的分布并不是均匀的，而是以AA堆叠为中心呈涡旋状，且在AA堆叠边界区域达到最大值；另外，该赝磁场的大小随着转角的减小而增大，其分布和大小受到外加应力的调控。该项研究证实，在小角度扭转双层石墨烯中晶格重构导致的赝磁场和强关联电子态存在着内在的关联，层间相互作用对体系的结构重构和性质变化有着非常重要的影响。这一现象可以推广到其他范德瓦尔斯堆叠的二维材料体系中。这项工作同时表明，具有本征赝磁场的小角度扭转双层石墨烯是实现量子反常霍尔效应的一个可能平台，为研究二维材料的性质和应用提供了新的思路。 中国科大秦胜勇研究组的博士生施浩浩和武汉大学袁声军研究组的詹真博士后为该论文的共同第一作者，秦胜勇教授和袁声军教授为共同通讯作者。

专家点评

图 | 何林
北京师范大学何林教授点评：单层石墨烯中的应变结构在一定情况下会产生赝磁场。通过该赝磁场可以实现零外磁场下的朗道量子化和量子谷霍尔效应。因为赝磁场没有破坏时间反演对称性，它在石墨烯的两个谷中大小相等、方向相反，所以结合贋磁场和真实磁场还能实现对石墨烯中谷赝自旋的调控。但是，贋磁场依赖于石墨烯中原子级别的应变结构，所以通过控制石墨烯应变结构来精准调控赝磁场存在比较大的困难。在双层有转角石墨烯中，层间原子的堆垛和耦合强度提供了另一个全新的自由度来调控石墨烯中的赝磁场。最近，中国科大秦胜勇研究组和武汉大学袁声军研究组利用扫描隧道显微镜实验，首次在小角度双层石墨烯体系中发现了赝磁场存在的重要证据。结合理论计算，他们指出该赝磁场主要来源于双层石墨烯的层间强耦合作用导致的晶格重构，其强度在实空间的分布受到双层转角石墨烯的原子堆垛方式和应变的调控。这一工作证实可以在小转角双层石墨烯中实现大面积、周期性的赝磁场。近两年，在小转角双层石墨烯（尤其是魔角双层石墨烯）中，关联绝缘态、超导态、铁磁态、和量子反常霍尔态等一系列新奇关联量子物态陆续被发现。中国科大秦胜勇研究组和武汉大学袁声军研究组这一工作揭示小转角双层石墨烯中还有一系列新奇物性亟待发现和研究。 

---

图 | 陈剑豪

北京大学陈剑豪教授点评：转角双层石墨烯中实现的强关联电子态以及非常规超导现象直接导致了“转角电子学”（Twistronics）这一新的研究热点现象的出现。研究人员在实验上发现了在一系列范德瓦尔斯材料体系中，其电学性质随层间转角而变化，并且在一些特定的“奇点”上衍生出新的奇异的量子现象。例如双层体系的层间相互作用随着转角的减小而增大，同时带宽减少，狄拉克电子的费米速度减小。特别是，在”魔角“的时候出现的量子相变现象（电子强关联现象）有理论认为与此时层间相互作用达到极值有直接的关系。然而，这种强的层间相互作用对体系的电子学性质的影响目前仍然非常少。基于此，秦胜勇和袁声军课题组合作，结合扫描隧道显微镜测量和理论计算展开研究，利用扫描隧道谱直接观察到双层石墨烯中狄拉克电子能量量子化（朗道能级）存在的实验证据，理论计算表明在接近魔角情形下的双层石墨烯层间强耦合导致晶格重构，该重构跟旋转角度呈严格依赖关系，并且在实空间产生周期分布的赝磁场。该研究首次揭示了双层石墨烯中层间强相互作用对体系电学性质的决定作用，即在研究体系的强关联性质的时候晶格重构应成为不可忽视的因素。同时，双层石墨烯中空间周期性分布的赝磁场可作为潜在的平台来实现反常量子霍尔效应。

个人简介

图 | 秦胜勇

秦胜勇，中国科学技术大学物理系、合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。本科毕业于山东大学物理系；博士毕业于美国德州大学奥斯汀分校物理系。主要研究领域包括低维量子材料的生长制备、超导、量子效应和电子输运；以及超高真空低温扫描隧道显微镜、原子力显微镜等多种仪器的研制等，多篇论文发表在Science, Proc. Natl. Acad. Sci., Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Nano Lett.、Adv. Mater.等国际高水平学术刊物上。

图 | 袁声军

袁声军，武汉大学物理科学与技术学院教授。本科毕业于浙江大学物理系；博士毕业于荷兰格罗宁根大学。主要的研究领域为计算物理学、凝聚态理论和高性能科学计算，包括发展针对复杂量子体系的多尺度模拟方法，发展针对量子多体问题的计算方法，低维量子体系的电学、光学、输运和等离基元性质，通用量子计算机模拟，以及强关联自旋系统的弛豫和退相干等。

—— ——往期精彩回顾—— ——●【学术视频】第五届武汉大学量子计算与量子信息前沿（暑期学校）| 武汉大学袁声军教授：Modeling of Complex Quantum Systems and Universal Quantum Computer●【蔻享科讯】北大团队首次证实二维冰的存在●【蔻享科讯】美国NASA“帕克”探测器邂逅太阳之旅●【蔻享科讯】科学家首次实验验证量子金属态的存在●【蔻享科讯】在类星体中发现供给超大质量黑洞吸积盘的快速内流气体●【蔻享科讯】德国马普所郭领阵博士及合作者首次报道在实验上观察到巨  原子的非指数衰减行为●【蔻享科讯】20超导量子比特薛定谔猫态制备●【蔻享科讯】中国科大在单自旋量子调控研究中取得重大进展●【蔻享科讯】北京大学刘开辉课题组发展局域氟元素调控二维材料生长动力学新方法

END

为满足更多科研工作者的需求，蔻享学术推出了蔻享APP以及相应的微信公众号，并开通了各科研领域的微信交流群。

蔻享APP

蔻享学术公众号

进群请添加微信：18256943123

小编拉您入群哟！

未经许可，禁止转载本页内容转载授权请联系：[e-mail]