清華新聞網(wǎng)4月24日電 以1.08°轉(zhuǎn)角堆疊形成的雙層石墨烯（魔角石墨烯）具有一系列新奇的強關(guān)聯(lián)物性，如非常規(guī)超導(dǎo)、莫特絕緣態(tài)、磁性等。這些現(xiàn)象與其獨特的電子結(jié)構(gòu)——費米能處的平帶緊密相關(guān)，因此，平帶的研究及調(diào)控是理解魔角石墨烯中強關(guān)聯(lián)物性的重要基礎(chǔ)。近日，清華大學(xué)物理系周樹云教授及合作者首次直接探測轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的平帶及遠離費米能處的遠帶電子結(jié)構(gòu)隨轉(zhuǎn)角的演化規(guī)律，并揭示了魔角附近晶格弛豫的重要性。
魔角石墨烯的平帶不僅顯著依賴于轉(zhuǎn)角和莫爾周期，而且其電子結(jié)構(gòu)對層間耦合作用及晶格弛豫也十分敏感。因此，探測轉(zhuǎn)角石墨烯的電子結(jié)構(gòu)隨轉(zhuǎn)角及晶格弛豫的演變對于理解該體系的物理至關(guān)重要。然而，由于高質(zhì)量轉(zhuǎn)角雙層石墨烯樣品制備及實驗探測方面的挑戰(zhàn)，目前關(guān)于魔角石墨烯的實驗研究還主要集中在電學(xué)輸運和掃描隧道顯微鏡等研究，缺乏平帶隨轉(zhuǎn)角演化的直接實驗觀測。
圖1. 結(jié)合NanoARPES和AFM測量，探測動量分辨的能帶結(jié)構(gòu)和實空間的莫爾周期
周樹云研究組通過不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)角石墨烯的樣品制備方法，成功獲得了轉(zhuǎn)角覆蓋1.07°（魔角附近）到2.60°的高質(zhì)量轉(zhuǎn)角雙層石墨烯樣品，并結(jié)合具有百納米級空間分辨率的角分辨光電子能譜（NanoARPES）和原子力顯微鏡（AFM）這兩種互補實驗技術(shù)（圖1），將動量空間中的電子結(jié)構(gòu)和實空間中的莫爾周期進行關(guān)聯(lián)，揭示了平帶隨轉(zhuǎn)角的演化規(guī)律（圖2），并從實驗上直接展示魔角樣品中極窄帶寬以及因此產(chǎn)生的顯著關(guān)聯(lián)效應(yīng)。該研究還首次直接觀測到遠離費米能的遠帶電子結(jié)構(gòu)隨轉(zhuǎn)角出現(xiàn)的譜重轉(zhuǎn)移現(xiàn)象并提取了層間耦合作用參數(shù)，從光電子譜學(xué)的角度揭示了轉(zhuǎn)角石墨烯體系中的晶格弛豫效應(yīng)，從而指出晶格弛豫對魔角石墨烯平帶的形成及強關(guān)聯(lián)物性的重要作用。這些發(fā)現(xiàn)為理解魔角石墨烯中的平帶電子結(jié)構(gòu)及強關(guān)聯(lián)物性提供了重要的信息。
圖2.轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的平帶電子結(jié)構(gòu)及莫爾周期隨轉(zhuǎn)角的演化。(a-e)轉(zhuǎn)角石墨烯的三維能帶結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)角從1.07°逐漸增加至2.60°。費米能處紅色和藍色點分別對應(yīng)于上層和下層石墨烯的狄拉克點。(g-j)利用AFM測量得到的莫爾周期
相關(guān)研究成果以“轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的平帶演化及晶格弛豫作用”（Evolution of flat band and role of lattice relaxations in twisted bilayer graphene）為題，于4月24日發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。
清華大學(xué)物理系教授周樹云為論文通訊作者，清華大學(xué)物理系2021級博士生李騫和“水木學(xué)者”張紅云博士為論文共同第一作者。合作者包括北京大學(xué)物理學(xué)院助理教授宋志達，清華大學(xué)物理系教授段文暉、于浦，清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授李群仰，法國國家同步輻射實驗室等。
研究得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委重點項目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、清華大學(xué)“水木學(xué)者”計劃和博士后面上項目等的資助，同時得到了清華大學(xué)低維量子物理國家重點實驗室的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01858-4
供稿：物理系
題圖設(shè)計：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
