物質學院劉健鵬課題組、王竹君課題組發現三維摩爾超晶格的新奇物性

發布時間2024-04-03文章來源 物質科學與技術學院作者責任編輯劉玥

近日,上??萍即髮W物質科學與技術學院劉健鵬課題組、王竹君課題組在三維摩爾超晶格體系中發現了新奇物性,相關成果發表于國際物理學期刊物理評論快報》(Physical Review Letters, PRL。

近年來,扭曲雙層石墨烯(Twisted Bilayer Graphene,TBG)因其新奇性質引起了廣泛的關注。當TBG的扭曲角接近“魔角”時,TBG能量最低兩條能帶變得極其扁平,甚至在手性極限下帶寬完全為零。正是這些具有類似朗道能級的波函數、拓撲非平庸的平帶導致了一系列在魔角TBG中豐富的物理現象,如超導性、關聯絕緣體、量子反?;魻栃?、軌道磁態等,這些現象引發了人們對理論和實驗研究的廣泛關注。

但實驗中制作TBG樣品采用的傳統轉移和堆疊技術,使得將TBG調節到第一魔角(θ1≈ 1.05°)附近極具挑戰性。幸運的是,可以通過堆疊更多轉角石墨烯層形成轉角多層石墨烯體系,進而得到拓撲平帶。額外的層數自由度使得拓撲平帶在一定范圍的扭曲角度或更大的魔角下能夠穩定存在。研究團隊由此進一步發問:如果將摩爾超晶格從二維提升到三維,將會產生什么樣的新物態和物性?

本工作首先通過化學氣相沉積(CVD)生長的折紙切割方法成功合成了三維摩爾超晶格。這種技術實現了由上萬層石墨烯相互交織而成的雙螺旋結構,并且成功實現了具有均勻層間轉角的交替扭曲結構,即“交替轉角石墨烯”(ATG)系統。這種系統展示了周期性的超晶格排列,其結構在中心位錯線附近呈現出交替的扭曲圖案(圖1)。

 

1. 交替轉角石墨烯的結構示意圖和實驗表征

 

針對ATG的理論研究極為匱乏,因此本項工作對ATG的奇異物性進行了理論探究。研究發現,額外的面外維度賦予了ATG一個額外的面外波矢自由度,用以探索魔角TBG的平帶物理(圖2)。當扭曲的角度小于2.1°,即TBG第一魔角的兩倍,ATG中總存在一個面外“魔波矢”使得對應的二維平面上產生于TBG中相同的拓撲平帶。類似的規律可以推廣,只要滿足扭曲角度小于魔角的兩倍,在ATG中便能實現TBG中任一魔角處的拓撲平帶。并且,平帶的拓撲性質還通過連續改變面外波矢來調控,在ATG實現外爾半金屬態。這一發現不僅大大放寬了實現二維拓撲平帶的條件,而且預言了在弱自旋-軌道效應的石墨烯體系中拓撲物態,為平帶物理的研究和未來拓撲量子材料的研究提供了新的理論基礎。

 

2. 交替轉角石墨烯在特定的面外波矢處產生與TBG中一樣的拓撲平帶,其拓撲性質隨面外波矢變化

 

本工作還進一步探討了交替轉角石墨烯在外加磁場下的行為:當扭曲角度足夠大時,交替轉角石墨烯的朗道能級呈現出無色散的三維零朗道能級,其簡并度比二維朗道能級大Nz倍;這里Nz為面外z方向元胞數量,在熱力學極限Nz趨于無窮。這是首次在真實材料體系中能夠得到無色散的三維朗道能級(圖3)。當該三維零朗道能級被完全填滿時,體系將展現出三維量子霍爾效應;而當該三維朗道能級被部分填充時,在朗道能級波函數的拓撲性質和強電子間庫倫相互作用的驅動下,該體系可能展現出全新的關聯物態,比如三維量子霍爾鐵磁性、三維分數量子霍爾效應、三維魏格納晶體等。本工作為之后在ATG體系中對奇異物態的進一步探索提供了理論基礎。

 

3. 交替轉角石墨烯在較大轉角時具有純平三維零朗道能級,能涌現三維量子霍爾效應

 

上??萍即髮W物質學院博士后呂昕、2023級博士研究生解博、2023博士研究生楊悅為該論文共同第一作者,劉健鵬教授和王竹君教授為通訊作者。上科大物質學院李軍課題組和中國科學院深圳先進技術研究院丁峰教授為本項工作的合作者。上??萍即髮W為第一完成單位和通訊單位。

論文標題:Magic Momenta and Three-Dimensional Landau Levels from a Three-Dimensional Graphite Moiré Superlattice

論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.056601