清華新聞網(wǎng)10月21日電 平帶和非平庸拓?fù)湮飸B(tài)是凝聚態(tài)物理的兩個(gè)重要研究方向，尋找兼具平帶電子結(jié)構(gòu)和非平庸拓?fù)涮匦缘牟牧象w系對(duì)實(shí)現(xiàn)新奇物理效應(yīng)具有重要意義。近日，清華大學(xué)物理系周樹云教授課題組及合作者發(fā)文報(bào)道菱方石墨的拓?fù)淦綆щ娮咏Y(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)該材料是拓?fù)涔?jié)線半金屬，且其平帶拓?fù)浔砻鎽B(tài)受體態(tài)拓?fù)涮匦缘谋Ｗo(hù)。此外，通過平帶電子結(jié)構(gòu)隨電子摻雜的奇異行為，他們還揭示了該材料的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。
圖1.菱方石墨的晶體結(jié)構(gòu)及拓?fù)淦綆П砻鎽B(tài)（a）菱方石墨側(cè)視圖，其中t0和γ0為層內(nèi)和層間的最近鄰躍遷參數(shù)。左下角為一維SSH模型示意圖（b）實(shí)驗(yàn)探測(cè)的拓?fù)淦綆Вt色箭頭所指）和體態(tài)狄拉克錐（黑色箭頭所指）（c）體態(tài)狄拉克錐頂點(diǎn)形成的狄拉克節(jié)線和“鼓膜”拓?fù)浔砻鎽B(tài)示意圖
在菱方石墨中，相鄰碳原子層之間沿碳-碳鍵方向發(fā)生平移（簡(jiǎn)稱ABC堆垛），形成如圖1a所示晶體結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)使得少層菱方石墨烯具有易受電場(chǎng)調(diào)控的特性，且呈現(xiàn)出分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)等新奇物理效應(yīng)。菱方石墨烯費(fèi)米能附近的電子態(tài)密度與動(dòng)量成指數(shù)關(guān)系（指數(shù)由其層數(shù)決定），因此作為少層菱方石墨烯的母體，菱方石墨可具有更平的平帶和更高的態(tài)密度。此外，菱方石墨的最近鄰相互作用可類比一維Su-Schrieffer-Heeger（SSH）拓?fù)淠Ｐ停型瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)平帶和非平庸拓?fù)湮锢怼?/p>
周樹云課題組瞄準(zhǔn)這一重要的物理體系，通過多年攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量菱方石墨樣品的制備以及高分辨角分辨光電子能譜（ARPES/NanoARPES）的測(cè)量，從而揭示該體系的獨(dú)特拓?fù)淦綆щ娮咏Y(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，該材料的體態(tài)呈現(xiàn)狄拉克錐狀能帶結(jié)構(gòu)（圖1b中黑色箭頭所指），并且體態(tài)狄拉克錐的頂點(diǎn)在三維動(dòng)量空間kx-ky-kz形成螺旋狀節(jié)線（圖1c），表明該材料是一個(gè)拓?fù)涔?jié)線半金屬。此外，在費(fèi)米能附近觀測(cè)到清晰的平帶（圖1b中紅色箭頭所指），結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)該平帶對(duì)應(yīng)于拓?fù)涔?jié)線半金屬的表面態(tài)（即“鼓膜“表面態(tài)，圖1c），并且該拓?fù)浔砻鎽B(tài)受體態(tài)拓?fù)涮匦缘谋Ｗo(hù)。
圖2.平帶電子結(jié)構(gòu)隨表面電子摻雜的演化。（a-c）菱方石墨平帶電子結(jié)構(gòu)隨表面電子摻雜的演化（d-f）電子結(jié)構(gòu)演化示意圖
更有意思的是，該拓?fù)淦綆щS表面電子摻雜呈現(xiàn)奇異行為（圖2）。隨著摻雜，平帶產(chǎn)生劈裂。具體表現(xiàn)為：更低能量處能帶的帶寬隨表面電子摻雜濃度增加而顯著增大（紅色箭頭），而費(fèi)米能附近的平帶帶寬及能量則幾乎保持不變（橙色箭頭）。這一現(xiàn)象可以歸結(jié)為電子-電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)這一重要的關(guān)聯(lián)相互作用。
研究成果揭示了菱方石墨的拓?fù)淦綆Ъ瓣P(guān)聯(lián)效應(yīng)，為更進(jìn)一步探索拓?fù)浜完P(guān)聯(lián)作用共存的新奇物理效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以“菱形石墨中的相關(guān)拓?fù)淦矫鎺А保–orrelated topological flat bands in rhombohedral graphite）為題，于10月16日在線發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）。
清華大學(xué)物理系教授周樹云為論文通訊作者，物理系“水木學(xué)者”張紅云和2024屆博士畢業(yè)生李騫為論文共同第一作者。論文合作者還包括美國(guó)普林斯頓大學(xué)廉骉教授，清華大學(xué)物理系段文暉院士、姚宏教授、于浦教授、徐勇教授，北京航空航天大學(xué)湯沛哲教授，美國(guó)先進(jìn)同步輻射光源BL403線站，上海同步輻射光源BL03U線站，法國(guó)同步輻射光源ANTARES線站等。研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(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。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410714121
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
