中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
N07組供稿
第48期
2022年06月16日
轉角石墨烯(2+2)中贗自旋的競爭和谷極化關聯絕緣態的發現

  轉角石墨烯是一種以單層或者多層石墨烯為母體、具有層間轉角而堆垛形成的的摩爾超晶格結構,具有平帶的關聯電子體系。自從2018年魔角石墨烯(1+1)在實驗上被證實以來, 轉角摩爾超晶格體系中存在的關聯絕緣態和超導態等奇異物性吸引了大批科學家的目光,并由此發展出了一門新的科學分支—轉角電子學,成為該領域的前沿研究問題。在該領域,2020年中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N07課題組以雙層石墨烯母體,率先發現了一類新型的轉角雙層-雙層石墨烯(2+2)摩爾超晶格體系,并在該體系中具有自旋極化的半填充關聯絕緣態。相比于魔角石墨烯,2+2體系具有更加豐富的調控手段,其能帶結構可以被位移電場調節,因而受到廣泛關注。

  近期,該課題組楊威特聘研究員和張廣宇研究員指導劉樂博士生等在轉角雙層-雙層石墨烯中發現了新的、具有谷極化的關聯絕緣態。他們發展了轉移堆疊技術,制備出了高質量的轉角樣品,器件的測量結果顯示樣品的轉角精度可達0.01°、位移電場高達1.5V/nm。通過引入塞曼軌道效應打破能谷對稱性,觀測到摩爾導帶半填充處自旋極化的關聯絕緣態(朗德g因子約等于2)會隨著電場的增加而消失,并進一步發展成為具有谷極化的關聯絕緣態(朗德g因子遠大于2);同時,在摩爾價帶的半填充處,隨著電場增加電子輸運特性也由金屬態發展成為谷極化的關聯絕緣態(圖一所示)。通過系統研究輸運測量對施加垂直磁場和位移電場的響應,發現這種輸運行為的轉變是由于2+2體系中自旋和能谷自由度的競爭關系而導致的(圖二所示),這和Hartree-Fock近似下的理論計算結果相吻合。此外,他們還在摩爾導帶半填充處發現了量子化的、陳數為2的拓撲陳絕緣體(圖三所示),而在價帶半填充處則拓撲平庸,發現了費米面重構現象和類似石墨烯的一系列量子化朗道能級譜(圖四所示)。這些新的關聯物態和拓撲屬性的發現極大的拓寬了人們對轉角體系的認識,這種電場高度可調的行為對其他摩爾超晶格體系具有指導意義,為進一步發現新的物態提供思路。

  本研究工作獲得了來自上??萍即髮W的劉健鵬教授、張世豪博士,北京理工大學黃元教授,日本國立材料科學研究所的Kenji Watanabe研究員、 Takashi Taniguchi研究員等合作者的幫助。該工作得到科技部重點研發計劃(2020YFA0309600),國家自然科學基金委(61888102, 11834017, 1207441),中國科學院(XDB30000000,XDB33000000)等項目的資助。相關成果發表在近期的Nature Communications 13,3292(2022)。

  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30998-x


圖1. 轉角雙層-雙層石墨烯中的谷極化的關聯絕緣態。


圖2. 自旋和能谷的競爭關系。


圖3. 摩爾導帶的谷極化陳絕緣體


圖4. 摩爾價帶的費米面重構和朗道能級譜