范德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有一系列新奇的電學(xué)性質(zhì)（例如，電場可調(diào)控的能隙、隨扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角變化的范霍夫奇點(diǎn)以及一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)等）。當(dāng)雙層石墨烯的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角減小到一系列特定的值（魔角）時(shí)，體系的費(fèi)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(qiáng)，出現(xiàn)莫特絕緣體和反常超導(dǎo)量子物態(tài)。另一方面，這些新奇的性質(zhì)與雙層石墨烯體系的扭轉(zhuǎn)角度有著嚴(yán)格的依賴關(guān)系，體系層間相互作用隨著轉(zhuǎn)角減小會(huì)逐漸增強(qiáng)，因此探尋和研究這種層間耦合對(duì)理解扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)至關(guān)重要。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心（ICQD）和物理系的秦勝勇教授與武漢大學(xué)袁聲軍教授及其他國內(nèi)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(zhuǎn)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(jié)合大尺度理論計(jì)算指出該贗磁場來源于層間相互作用導(dǎo)致的非均勻晶格重構(gòu)。相關(guān)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(duì)于轉(zhuǎn)角為0.48度的雙層石墨烯，在不加外磁場情況下，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了贋朗道能級(jí)（圖b），理論計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)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(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了小角度下（<1°）雙層石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，首次證實(shí)了由晶格重構(gòu)導(dǎo)致的本征贗磁場。首先，研究人員發(fā)現(xiàn)體系中贗磁場導(dǎo)致了低能載流子的能量量子化，并計(jì)算出這種本征贗磁場在實(shí)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(dá)到最大值；另外，該贗磁場的大小隨著轉(zhuǎn)角的減小而增大，其分布和大小受到外加應(yīng)力的調(diào)控。該項(xiàng)研究證實(shí)，在小角度扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中晶格重構(gòu)導(dǎo)致的贗磁場和強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子態(tài)存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，層間相互作用對(duì)體系的結(jié)構(gòu)重構(gòu)和性質(zhì)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(xiàng)工作同時(shí)表明，具有本征贗磁場的小角度扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯是實(shí)現(xiàn)量子反；魻栃(yīng)的一個(gè)可能平臺(tái)，為研究二維材料的性質(zhì)和應(yīng)用提供了新的思路。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)秦勝勇教授和武漢大學(xué)袁聲軍教授為本文的共同通訊作者；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生施浩浩和武漢大學(xué)博士后詹真為共同第一作者。該項(xiàng)研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、科大校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
- 雙層石墨烯中疇壁對(duì)等離激元的反射研究獲進(jìn)展 2016-11-25
