国际关注！北京教授团队获石墨烯研究新成果，2天公开发表2篇硬核论文！

近日，北京师范大学物理学系何林研究组在小转角双层石墨烯中实现可调控的大面积电子态Kagome晶格，相关成果于8月11日以“Tunable Sample-Wide Electronic Kagome Lattice in Low-Angle Twisted Bilayer Graphene”为题，刊发在Physical Review Letters上。何林教授课题组博士生郑旗为论文第一作者，硕士生郝辰悦为论文共同第一作者，何林教授为论文通讯作者。

单层石墨烯在实验室的首次成功剥离拉开了二维层状材料蓬勃发展的序幕，而在魔角双层石墨烯中超导、关联绝缘相等一系列新奇关联量子物态的发现则掀起了二维体系物性研究新的热潮。双层转角石墨烯在转角为魔角时具有低能区平带。当平带部分填充时，电子的库伦相互作用能大于电子的动能，电子-电子相互作用效应显著。魔角双层石墨烯的一系列新奇关联量子物态都和其平带密切相关，但是其平带结构对体系转角、层间耦合强度和应变等因素极其敏感。例如，当转角稍微偏离魔角时，平带中载流子动能会快速增大，转角石墨烯中的强关联物态就可能消失，这极大地阻碍了科学家们深入研究这些新奇量子物态的规律并了解其微观机制。

因此，如何在转角石墨烯中引入更鲁棒的平带结构具有重要的价值和物理意义。最近，北京师范大学何林教授课题组发现施加垂直外电场可在双层转角石墨烯中产生一种新型的平带结构，该平带鲁棒地存在于其研究的所有小角度转角石墨烯中，且在魔角附近一个较宽的角度区间样品中会形成平带电子的Kagome晶格。

早期的理论计算基于刚性旋转的双层转角石墨烯预测了在特别小角度时（θ<0.3 ）垂直外电场会在体系引入规范场，并由此产生一种新型的局域在AB/BA堆垛界面处的平带结构, 其在实空间形成电子态Kagome晶格。然而最近多个课题组的实验表明，由于层间相互作用会导致小转角双层石墨烯结构发生重构：AA堆垛区域变小，同时AB/BA堆垛区域增大，并在AB与BA界面形成畴界。因为小转角双层石墨烯的真实原子堆垛结构和刚性旋转的双层石墨烯理想模型结构有很大的区别，科学家们普遍认为引入垂直外电场并不会在小转角双层石墨烯中产生平带及其电子态Kagome晶格，最近的一个综述就明确指出了这一观点。

何林教授课题组最新的实验结果指出这一观点并不是正确的。实验上，他们首先在不同的绝缘衬底（WSe2、h-BN）上可控地构筑了不同转角的双层石墨烯（0.075 θ<1.2 ）；随后利用不同扫描隧道显微镜（STM）针尖（金修饰的钨针尖和没有修饰的钨针尖）对比研究了小转角双层石墨烯在有无外电场作用下AB/BA堆垛界面处的电子态结构（如图1所示）。他们的实验发现，通过外电场可以控制AB/BA堆垛界面处平带结构的开启和关闭，并且在有外电场的情况下，平带结构稳定地存在于所有研究的转角石墨烯体系。

何林教授课题组还通过STM直接测量了平带的空间分布，证明它们局域在双层转角石墨烯的AB/BA堆垛界面处（如图1所示）。在特别小角度转角石墨烯中，结构重构使AB/BA畴界形成三角形的一维网格，因此虽然有平带的产生，但其不会形成Kagome晶格。只有在转角比较大时（魔角附近），结构重构不会很大地改变双层转角石墨烯的结构，此时局域在AB/BA畴界处的平带才会形成Kagome晶格（如图2所示）。此项工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研究计划以及北京师范大学经费支持。

此外，何林研究组及合作者在石墨烯中实现磁场可调的具有谷差异的赝磁场受限，相关成果于8月10日以“Magnetic-Field-Tunable Valley-Contrasting Pseudomagnetic Confinement in Graphene”为题，刊发在Physical Review Letters上。何林教授课题组博士生任雅宁为论文第一作者，北京大学孙庆丰教授课题组的博士生庄钰晨为该工作提供了理论计算，为论文共同第一作者，北京大学的孙庆丰教授和北京师范大学的何林教授为论文通讯作者。

引入量子受限可在材料体系中产生丰富有趣的量子现象，通过这些量子现象可揭示受限（准）粒子的物理本质。例如，在石墨烯量子点中观测到的克莱因隧穿效应直接揭示了其载流子的相对论属性。更有趣的是，在量子受限情况下可以实现材料本身所不具备的新奇量子物态。例如，通常认为一个材料的贝里相位是一个常数，但在石墨烯量子点中，准粒子的贝里相位可利用磁场进行调控。

因此我们可以通过贝里相位的改变来调控量子受限态的能级，实现一系列新奇量子物态。然而，能实现量子受限的有效方法并不多，在连续体系里，静电势是实验上几乎唯一可选的方法。在最近的工作中，何林教授课题组与合作者证明可以利用空间分布不均匀的赝磁场在石墨烯中实现量子受限，进一步施加外磁场时可实现具有谷差异的全新量子受限（两个谷中的载流子具有不同的受限尺寸和受限能级）。

磁受限在理论上很早就已经被提出来了，然而倘若要实现100meV大小的磁受限能级，则需要磁场强度在纳米尺度范围内变化数十特斯拉（图1（a）），这在实验上是难以实现的。虽然利用真实磁场很难实现，但何林教授课题组与合作者提出利用应变诱导的赝磁场可以实现类似的量子受限（图1（b））。赝磁场等效于真实磁场的轨道场，其大小和方向依赖于石墨烯的应变结构，可以在纳米尺度范围内变化几十甚至数百特斯拉，因此可以利用空间分布不均匀的赝磁场在石墨烯中实现磁量子受限。更有趣的是，赝磁场在石墨烯的两个谷中大小相等但方向相反，当叠加一个真实磁场时，两个谷中载流子感受到的有效磁势垒将会不同，此时可实现具有谷差异的全新量子受限（图1（c））。

实验上，何林教授课题组利用衬底和石墨烯热膨胀系数的差异，在石墨烯中形成了准一维应变结构，应变较大和较小的结构交替出现（图2（a））。测量发现，在应变较大的区域有很强的赝磁场产生，并形成了赝朗道能级（图2（b）），而在应变较小的区域产生了几乎等间距的受限量子态（图2（c））。量子态的空间分布实验测量和理论分析结果均证明了这些受限态是由于空间不均匀的赝磁场形成的磁势垒产生的。

进一步，他们在实验上施加了垂直外磁场，在量子受限区域观测到了谷差异的全新量子受限态（图2（d）左）。综合考虑周期性赝磁场产生的磁势垒和外加磁场的物理效应，理论计算非常好地模拟了具有谷差异的全新量子受限态（图2（d）右），并进一步指出两个谷的劈裂来源于其载流子感受到的不同磁势垒，从而使两个谷中的载流子有不同的空间受限尺寸（图2（e,f））。这一工作展示了利用赝磁场和真实磁场共同作用来实现新奇受限量子物态的可能性。

北京师范大学物理学系以全校物理学科为依托，凭借着学校学科门类齐全、综合性较强的学科优势建设和发展。物理学系按照党的教育方针和科教兴国的方略，以培养具有高度科学文化素质和良好道德风貌、坚实宽广的物理理论基础、较强的实验动手能力和创新意识、严谨治学作风的品学兼优的人才为目标，坚持教育创新，致力建设成为一个培养国家优秀物理学及相关基础科学研究的后备人才、及高素质研究型卓越物理教师的基地。

延伸阅读：

何林，2009年7月于北京大学物理学院获得博士学位，博士毕业后一直在北京师范大学物理学系工作, 现为教授、博士生导师。何林一直致力于凝聚态物理研究，探索低维体系的新奇物理性质，共发表140余篇SCI论文。2012年起，何林在石墨烯物性研究这一重要科学问题上取得了一系列原创性突破，作为通讯作者带领其团队发表了80余篇SCI论文。

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注：文章部分素材来自北京师范大学新闻网、物理学系