近日，湖南大學物理與微電子科學學院殷隆晶副教授和秦志輝教授在魔角單-雙層石墨烯體系發(fā)現(xiàn)了局域與離域共存的平帶結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究成果以“Spectroscopic Visualization of Flat Bands in Magic-Angle Twisted Monolayer-Bilayer Graphene: Coexistence of Localization and Delocalization”為題發(fā)表在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》上，并入選Editors' Suggestion。

兩層范德華原子層相互扭轉(zhuǎn)一定角度，將形成莫爾超晶格結(jié)構(gòu)。莫爾超晶格能極大地調(diào)制材料的電子性質(zhì)，產(chǎn)生分立的低能平帶。這種平帶結(jié)構(gòu)可以增強電子相互作用，從而為探索強關(guān)聯(lián)現(xiàn)象開辟了新的途徑。最典型的代表就是轉(zhuǎn)角雙層石墨烯。例如人們在轉(zhuǎn)角接近1.1°（即所謂的“魔角”）的雙層石墨烯中，發(fā)現(xiàn)了由平帶誘導的關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和超導態(tài)等。事實上，平帶結(jié)構(gòu)不僅僅只局限于雙層石墨烯，在多層石墨烯中同樣存在。且多層可能具有更加扁平的平帶，以及隨之產(chǎn)生的更顯著的電子關(guān)聯(lián)效應。轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯（即一個單層和一個AB堆垛的雙層石墨烯相互扭轉(zhuǎn)）被預言是一種新的平帶體系，具有更高可調(diào)控性的平帶和拓撲性質(zhì)。最近，輸運實驗在轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了可調(diào)的范霍夫奇點、關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和陳絕緣體態(tài)，表明該體系的確蘊藏著豐富的莫爾物理。然而，目前缺少對轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯平帶的直接觀測，以及其微觀局域性質(zhì)的認識。而這些研究對充分理解該體系豐富、新奇的強關(guān)聯(lián)物理是不可或缺的。

為此，殷隆晶副教授和秦志輝教授團隊利用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，對魔轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的平帶結(jié)構(gòu)做了納米尺度的譜學探測。他們首先在同一樣品中制備出了轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯和轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的共存結(jié)構(gòu)（二者具有完全相同的轉(zhuǎn)角~1.13°）。利用掃描隧道譜測量，他們在轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的費米能級附近發(fā)現(xiàn)了一個很強的態(tài)密度峰，證實了平帶的存在。實驗發(fā)現(xiàn)，這個平帶峰的峰寬要比轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中的稍小，從而直接證實了理論預言的魔角多層比魔角雙層石墨烯的平帶更加扁平的結(jié)論。更有意思的是，平帶在轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中表現(xiàn)出了獨特的局域和離域共存的特性，即平帶在轉(zhuǎn)角端局域，在雙層端離域。童慶軍教授通過連續(xù)性模型計算，很好地重復出了上述實驗結(jié)果。該研究中發(fā)現(xiàn)的新奇層依賴的局域-離域平帶共存，為利用二者之間的相互作用來探索研究強關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象提供了一個前所未有的平臺。該研究也為進一步理解轉(zhuǎn)角多層石墨烯體系中的莫爾物理提供了重要的微觀信息。

我校物理與微電子科學學院為該工作的唯一完成單位，物電院仝靈輝碩士生和童慶軍教授為共同第一作者，殷隆晶副教授和秦志輝教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、湖南省自然科學基金、湖南省科技創(chuàng)新計劃等經(jīng)費支持。

圖1.轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的平帶譜學表征及與轉(zhuǎn)角雙層的對比

圖2.轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯層依賴的局域與離域共存的平帶

（來源：湖南大學）