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中國科大在扭轉雙層石墨烯研究中取得重要進展

作者:管理員

範德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有一系列新奇的電學性質(例如,電場可調控的能隙、隨扭轉轉角變化的範霍夫奇點以及一維拓撲邊界態等)。當雙層石墨烯的扭轉轉角減小到一系列特定的值(魔角)時,體系的費米面附近出現平帶,電子在能量空間高度局域,電子-電子相互作用顯著增強,出現莫特絕緣體和反常超導量子物態。另一方面,這些新奇的性質與雙層石墨烯體系的扭轉角度有著嚴格的依賴關系,體系層間相互作用隨著轉角減小會逐漸增強,因此探尋和研究這種層間耦合對理解扭轉雙層石墨烯的電子結構和物理性質至關重要。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)和物理系的秦胜勇教授与武汉大学袁声军教授及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。相关研究成果以“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《自然·通讯》(Nature Communications 2020,11,371)上。

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圖:小角度雙層石墨烯中本征赝磁場的發現。對于轉角爲0.48度的雙層石墨烯,在不加外磁場情況下,實驗發現了贋朗道能級(圖b),理論計算進一步驗證了這種贋磁場行爲(圖c),並估算出贋磁場值大約爲6特斯拉(圖e)。

該團隊系統研究了小角度下(<1°)雙層石墨烯的電學性質,首次證實了由晶格重構導致的本征赝磁場。首先,研究人員發現體系中赝磁場導致了低能載流子的能量量子化,並計算出這種本征赝磁場在實空間的分布。研究發現赝磁場的分布並不是均勻的,而是以AA堆疊爲中心呈渦旋狀,且在AA堆疊邊界區域達到最大值;另外,該赝磁場的大小隨著轉角的減小而增大,其分布和大小受到外加應力的調控。該項研究證實,在小角度扭轉雙層石墨烯中晶格重構導致的赝磁場和強關聯電子態存在著內在的關聯,層間相互作用對體系的結構重構和性質變化有著非常重要的影響。這一現象可以推廣到其他範德瓦爾斯堆疊的二維材料體系中。這項工作同時表明,具有本征赝磁場的小角度扭轉雙層石墨烯是實現量子反常霍爾效應的一個可能平台,爲研究二維材料的性質和應用提供了新的思路。

                                                       (来源-中国科大新闻网)