清華新聞網(wǎng)5月6日電 轉(zhuǎn)角雙層石墨烯因在魔角附近展現(xiàn)出一系列新奇的強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，例如非常規(guī)超導(dǎo)、莫特絕緣態(tài)、磁性等而備受關(guān)注。其核心物理源自費(fèi)米能附近的平帶電子結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)該轉(zhuǎn)角體系平帶電子結(jié)構(gòu)的探測(cè)及調(diào)控是理解轉(zhuǎn)角體系相關(guān)物理的關(guān)鍵。清華大學(xué)物理系周樹(shù)云研究組繼近期發(fā)文報(bào)道轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的平帶電子結(jié)構(gòu)隨轉(zhuǎn)角的演化進(jìn)展之后，又進(jìn)一步將平帶研究拓展到由單層石墨烯和雙層石墨烯堆疊形成的轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯，并且通過(guò)施加原位柵極電壓調(diào)控的方法，首次揭示了轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中，外電場(chǎng)的方向?qū)ζ綆щ娮咏Y(jié)構(gòu)的雙向選擇性調(diào)控作用，即通過(guò)改變電場(chǎng)方向，使其平帶電子結(jié)構(gòu)更多體現(xiàn)了單層和雙層石墨烯的特性。
在轉(zhuǎn)角石墨烯體系中，轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯因破壞了垂直于界面方向的反演對(duì)稱性而體現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。例如，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯施加垂直于面外方向的電場(chǎng)，研究人員利用輸運(yùn)測(cè)量觀測(cè)到轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中關(guān)聯(lián)態(tài)相圖隨電場(chǎng)存在非對(duì)稱的演化。在該體系中，外電場(chǎng)對(duì)平帶電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，是其根本物理，因此在施加原位電場(chǎng)的條件下，探測(cè)其平帶電子結(jié)構(gòu)的演化對(duì)于實(shí)現(xiàn)豐富的物態(tài)調(diào)控具有重要意義。
圖1. 轉(zhuǎn)角單-雙石墨烯中電子結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)的雙向調(diào)控作用。（a）可原位調(diào)控柵極電壓的NanoARPES測(cè)量示意圖。（b-d）轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯（2.2°）在柵極電壓為20 V、0 V以及-20 V下的NanoARPES測(cè)量電子結(jié)構(gòu)。（e-g）轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯電子結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)的雙向演化總結(jié)示意圖
周樹(shù)云研究組通過(guò)巧妙地改進(jìn)轉(zhuǎn)角石墨烯體系的樣品制備方法，成功獲得了可原位施加?xùn)艠O電壓的高質(zhì)量轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯樣品，并結(jié)合具有百納米級(jí)空間分辨率的角分辨光電子能譜（NanoARPES）（圖1）和原子力顯微鏡（AFM）這兩種互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，直接揭示了其費(fèi)米能處清晰的平帶電子結(jié)構(gòu)，并且發(fā)現(xiàn)其帶寬與體系中庫(kù)倫相互作用大小相當(dāng)，證實(shí)該體系存在較強(qiáng)電子-電子相互作用。更有意思的是，在原位施加?xùn)艠O電壓下，轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了兩個(gè)顯著的隨電場(chǎng)演化效應(yīng)：1、來(lái)自單層、雙層石墨烯貢獻(xiàn)部分的譜重強(qiáng)度（ARPES信號(hào)強(qiáng)度）出現(xiàn)了選擇性增強(qiáng)（圖1）；2、費(fèi)米能處平帶電子結(jié)構(gòu)在負(fù)向或正向電壓時(shí)變得更平或具有更強(qiáng)色散（圖2），體現(xiàn)了雙層和單層石墨烯的性質(zhì)。通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算，周樹(shù)云研究組及其合作者揭示了轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中在外加電場(chǎng)下，由于電荷在層間的重新分布而導(dǎo)致的譜重和平帶色散隨電場(chǎng)的不對(duì)稱演化的依賴結(jié)果。這些研究結(jié)果為理解轉(zhuǎn)角體系中電子結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)演化的普遍規(guī)律提供了重要的電子能譜實(shí)驗(yàn)信息。
圖2. 轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的平帶電子結(jié)構(gòu)隨電場(chǎng)的演化。（a-e）NanoARPES測(cè)量不同電場(chǎng)下的電子結(jié)構(gòu)演化結(jié)果。測(cè)量方向同時(shí)穿過(guò)單、雙層石墨烯K點(diǎn)，如（a）中插圖所示。（f-j）理論計(jì)算不同電場(chǎng)下的電子結(jié)構(gòu)演化，與（a-e）中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)論一致
相關(guān)研究成果以“轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中電子結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)的雙向演化”（Observation of dichotomic field-tunable electronic structure in twisted monolayer-bilayer graphene）為題，于5月3日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)物理系教授周樹(shù)云為論文的通訊作者，清華大學(xué)物理系“水木學(xué)者”張紅云博士和2021級(jí)博士生李騫為論文的共同第一作者。主要合作團(tuán)隊(duì)包括中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員翁紅明和吳泉生、韓國(guó)首爾大學(xué)教授鄭在日（Jeil Jung）、清華大學(xué)物理系教授段文暉、于浦及法國(guó)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室等。研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃和博士后面上項(xiàng)目等的資助，同時(shí)得到了清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48166-8
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
