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科研進展

袁聲軍教授課題組在扭轉雙層石墨烯和拓撲節線半金屬研究中取得一系列進展

來源:  發布時間:2020-05-23 21:35:07 點擊次數:

  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,出現莫特絕緣體和反常超導量子物態。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。

  武漢大學袁聲軍教授課題組的理論團隊和中國科學技術大學秦勝勇教授的實驗團體,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現了本征贗磁場存在的重要證據,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,發表于《自然·通訊》(Nature Communications 11,371 2020))上。中國科大博士生施浩浩和MG娱乐官网博士后詹真為共同第一作者,袁聲軍教授和秦勝勇教授為本文的共同通訊作者。


1:小角度雙層石墨烯中本征贗磁場的發現。對于轉角為0.48度的雙層石墨烯,在不加外磁場情況下,實驗發現了贋朗道能級(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,研究人員發現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。研究發現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電子態存在著內在的關聯,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。

此外,當扭轉的角度為30度時,雙層石墨烯組成具有十二重旋轉對稱性的準晶結構。但由于準晶缺乏空間平移對稱性,很多基于能帶理論的研究方法很難直接應用,這使得對近期實驗上制備的雙層石墨烯準晶進行理論研究充滿挑戰。袁聲軍教授課題組運用該小組發展的針對復雜量子體系的緊束縛傳播方法(TBPM),研究了由超過千萬個原子組成的雙層石墨烯準晶,并且提出了一系列周期性近似結構。這些周期性近似結構可以準確還原出雙層石墨烯準晶的電學和光學性質。其中最小的一個精確周期性近似結構包含2702個原子,通過對其能帶結構進行反折疊運算,得到了雙層石墨烯準晶的有效能帶結構。計算結果表明,除了原有的單層石墨烯狄拉克點外,在兩個單層石墨烯的布里淵區內部出現了大量新的狄拉克點,同時在M點處出現了能隙。這些特性都和近期的實驗結果一致。與此同時,雙層石墨烯準晶的準晶特性在其朗道能級和光學性質中也有所體現。研究結果表明,組成準晶的兩層石墨烯晶格常數匹配度是決定其周期性近似結構準確度的最重要因素,其設計理念可以推廣到任意一種層狀準周期體系。該項成果以“Dodecagonal bilayer graphene quasicrystal and its approximants”為題發表于《自然》雜志出版社子刊 NPJ Computational Materials 5, 122 (2019),MG娱乐官网為第一署名單位,博士后于國棟和碩士研究生吳澤文為并列第一作者,袁聲軍教授為通訊作者。


2:具有十二重旋轉對稱性的雙層石墨烯準晶結構及其周期性近似結構。


近期袁聲軍教授課題組的理論團隊和哥倫比亞大學Dimitri Basov教授的實驗團隊合作,找到了拓撲節線半金屬ZrSiSe中電子-電子相互作用的重要證據。對于具有線性色散關系的狄拉克費米子,人們通常認為其具有較弱的電子-電子相互作用。在拓撲節線(Nodal-line) 半金屬中,受晶體對稱性保護的狄拉克點可在動量空間中延伸形成一維的節線,而這種各向異性使得電子沿節線方向的動能大大降低,從而有可能增強電子與電子之間的相互作用。但這一理論預測一直缺乏實驗數據的支持。哥倫比亞大學的實驗團隊對拓撲節線半金屬ZrSiSe進行了光學測量,通過對比理論團隊基于第一性原理的計算結果,發現了電子與電子相互作用在該體系顯著增強的兩個證據:實驗測量得到的自由載流子譜重相對于理論值被削弱了約1/3,同時費米速度也大幅降低。研究還發現,通過外加的磁場可以進一步對載流子的費米速度進行調控。該項研究對于深入理解拓撲節線半金屬中狄拉克粒子的電子-電子相互作用具有重要的意義。相關結果以“Electronic correlations in nodal-line semimetals”為題在線發表于《自然·物理》(Nature Physics),MG娱乐官网為論文第二署名單位,袁聲軍教授課題組為該項研究提供了重要的理論和計算支持,課題組的 Alexander Rudenko研究員為論文的第二作者。



3:第一性原理計算得到的拓撲節線半金屬ZrSiSe電子結構和光學性質。


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論文2鏈接:

論文3鏈接:



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