[复材信息][复材信息]Nat. Mater.：魔角石墨烯平带的重要进展

2024-05-05

以1.08°双层石墨烯(魔角石墨烯)由拐角堆叠而成，具有非常规超导、莫特绝缘、磁性等一系列新颖的强相关物质。这些现象与其独特的电子结构——费米能处的平带密切相关。因此，平带的研究和调节是了解魔角石墨烯中强关联物理的重要基础。近日，清华大学物理系周树云教授及其合作伙伴首次直接检测角落两层石墨烯的平带，以及远离费米能的远带电子结构随角落演变的规律，揭示了角落周围晶格放松的重要性。本研究工作以“转角两层石墨烯的平带演变和晶格松弛作用”为基础。（Evolution of flat band and role of lattice relaxations in twisted bilayer graphene）问题发表于《自然·材料》(Nature Materials)期刊。

魔角石墨烯的平带不仅明显依赖于角落和莫尔周期，而且其电子结构对固层耦合和晶格松弛也非常敏感。所以，随着转角和晶格弛豫的演变，检测角石墨烯的电子结构对了解这个系统的物理尤为重要。但由于制备和测试两层石墨烯样品的挑战，目前魔角石墨烯的实验研究主要集中在电气运输和隧道显微镜扫描等方面，缺乏随角度演变的平带直接测试和观测。

图1. 将NanoARPES与AFM测量相结合，对能带结构和实际空间的莫尔周期进行检测。

通过不断优化转角石墨烯样品制备方法，周树云研究组成功获得了1.07的转角覆盖。°(魔角周围)到2.60°两层石墨烯样品的优质转角，结合具有百纳米空间分辨率的角度辨别光电子能谱(NanoARPES)和原子力显微镜(AFM)这两种互补实验技术(图1)将动量空间中的电子结构与实际空间中的莫尔周期联系起来，揭示了平带随角度的进化规律(图2)，并直接从实验中展示了魔角样品中极窄带宽和由此产生的显著相关效应。这项研究还首次直接观察到远离费米能的远带电子结构随着拐角的谱重转移现象，并提取了固层耦合的参数。从光电谱学的角度，揭示了拐角石墨烯系统中的晶格松弛效应，进而指出晶格松弛对魔角石墨烯平带的形成和强相关性的重要作用。这项研究还首次直接观察到远离费米能的远带电子结构随着拐角的谱重转移现象，提取了固层耦合的参数，从光电子谱的角度揭示了拐角石墨烯系统中的晶格松弛效应，进而指出晶格松弛对魔角石墨烯平带的形成和强相关性的重要作用。这些发现为了解魔角石墨烯中的平带电子结构和强相关物理提供了重要信息。

图2. 角落两层石墨烯的平带电子结构和莫尔周期随着角落的演变而演变。(a-e) 角落石墨烯的三维能带结构，角落从1.07°逐步增加到2.60°。费米可以分别对应上、下石墨烯狄拉克点的红色和蓝色点。(g-j) 运用 AFM 对莫尔周期进行测量。

清华大学物理系周树云教授是该论文的通讯作者，清华大学物理系博士生李骞和“水木学者”张红云博士是该论文的共同第一作者。合作团队包括北京大学物理学院宋志达助理教授、清华大学物理系段文晖教授、于浦教授、清华大学航空工程学校李群仰教授、法国国家同步辐射实验室等。这项研究得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室的支持，包括科技部重点R&D计划、国家自然科学基金委重点项目、基础科学中心项目、清华大学“水木学者”计划和博士后项目。

全篇链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01858-4

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