殷隆晶/秦志辉团队在魔角单-双层石墨烯平带研究中取得重要进展

近日，湖南大学物理与微电子科学学院殷隆晶副教授和秦志辉教授在魔角单-双层石墨烯体系发现了局域与离域共存的平带结构，相关研究成果以“Spectroscopic Visualization of Flat Bands in Magic-Angle Twisted Monolayer-Bilayer Graphene: Coexistence of Localization and Delocalization”为题发表在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上，并入选Editors' Suggestion。

两层范德华原子层相互扭转一定角度，将形成莫尔超晶格结构。莫尔超晶格能极大地调制材料的电子性质，产生分立的低能平带。这种平带结构可以增强电子相互作用，从而为探索强关联现象开辟了新的途径。最典型的代表就是转角双层石墨烯。例如人们在转角接近1.1°（即所谓的“魔角”）的双层石墨烯中，发现了由平带诱导的关联绝缘态和超导态等。事实上，平带结构不仅仅只局限于双层石墨烯，在多层石墨烯中同样存在。且多层可能具有更加扁平的平带，以及随之产生的更显著的电子关联效应。转角单-双层石墨烯（即一个单层和一个AB堆垛的双层石墨烯相互扭转）被预言是一种新的平带体系，具有更高可调控性的平带和拓扑性质。最近，输运实验在转角单-双层石墨烯中发现了可调的范霍夫奇点、关联绝缘态和陈绝缘体态，表明该体系的确蕴藏着丰富的莫尔物理。然而，目前缺少对转角单-双层石墨烯平带的直接观测，以及其微观局域性质的认识。而这些研究对充分理解该体系丰富、新奇的强关联物理是不可或缺的。

为此，殷隆晶副教授和秦志辉教授团队利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，对魔转角单-双层石墨烯的平带结构做了纳米尺度的谱学探测。他们首先在同一样品中制备出了转角单-双层石墨烯和转角双层石墨烯的共存结构（二者具有完全相同的转角~1.13°）。利用扫描隧道谱测量，他们在转角单-双层石墨烯的费米能级附近发现了一个很强的态密度峰，证实了平带的存在。实验发现，这个平带峰的峰宽要比转角双层石墨烯中的稍小，从而直接证实了理论预言的魔角多层比魔角双层石墨烯的平带更加扁平的结论。更有意思的是，平带在转角单-双层石墨烯中表现出了独特的局域和离域共存的特性，即平带在转角端局域，在双层端离域。童庆军教授通过连续性模型计算，很好地重复出了上述实验结果。该研究中发现的新奇层依赖的局域-离域平带共存，为利用二者之间的相互作用来探索研究强关联物理现象提供了一个前所未有的平台。该研究也为进一步理解转角多层石墨烯体系中的莫尔物理提供了重要的微观信息。

我校物理与微电子科学学院为该工作的唯一完成单位，物电院仝灵辉硕士生和童庆军教授为共同第一作者，殷隆晶副教授和秦志辉教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、湖南省自然科学基金、湖南省科技创新计划等经费支持。

图1.转角单-双层石墨烯的平带谱学表征及与转角双层的对比

图2.转角单-双层石墨烯层依赖的局域与离域共存的平带

（来源：湖南大学）