范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、隨扭轉轉角變化的范霍夫奇點以及一維拓撲邊界態(tài)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(xiàn)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(xiàn)莫特絕緣體和反常超導量子物態(tài)。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。
中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心（ICQD）和物理系的秦勝勇教授與武漢大學袁聲軍教授及其他國內外同行合作，利用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，首次在雙層轉角石墨烯體系中發(fā)現(xiàn)了本征贗磁場存在的重要證據(jù)，結合大尺度理論計算指出該贗磁場來源于層間相互作用導致的非均勻晶格重構。相關研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”為題，于2020年1月17日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications 2020,11,371）上。
圖：小角度雙層石墨烯中本征贗磁場的發(fā)現(xiàn)。對于轉角為0.48度的雙層石墨烯，在不加外磁場情況下，實驗發(fā)現(xiàn)了贋朗道能級（圖b），理論計算進一步驗證了這種贋磁場行為（圖c），并估算出贋磁場值大約為6特斯拉（圖e）。
該團隊系統(tǒng)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贗磁場。首先，研究人員發(fā)現(xiàn)體系中贗磁場導致了低能載流子的能量量子化，并計算出這種本征贗磁場在實空間的分布。研究發(fā)現(xiàn)贗磁場的分布并不是均勻的，而是以AA堆疊為中心呈渦旋狀，且在AA堆疊邊界區(qū)域達到最大值；另外，該贗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贗磁場和強關聯(lián)電子態(tài)存在著內在的關聯(lián)，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(xiàn)象可以推廣到其他范德瓦爾斯堆疊的二維材料體系中。這項工作同時表明，具有本征贗磁場的小角度扭轉雙層石墨烯是實現(xiàn)量子反常霍爾效應的一個可能平臺，為研究二維材料的性質和應用提供了新的思路。
中國科學技術大學秦勝勇教授和武漢大學袁聲軍教授為本文的共同通訊作者；中國科學技術大學博士生施浩浩和武漢大學博士后詹真為共同第一作者。該項研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中央高校基本科研業(yè)務費、科大校創(chuàng)新團隊基金的經費支持。
- 雙層石墨烯中疇壁對等離激元的反射研究獲進展 2016-11-25
