我院曾长淦、范晓东研究组在人工笼目超晶格中实现色散选择型能带调控 [2024-08-07]

近日，我院物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授、范晓东特任副研究员与武汉大学袁声军教授，以及西班牙Imdea Nanociencia研究所Francisco Guinea教授、博士后詹真合作，利用精心设计的人工笼目超晶格势场，实现了石墨烯中不同色散类型能带的选择性调控。相关研究结果于8月6日发表在权威物理期刊《物理评论快报》上，文章入选编辑推荐（Editors’ Suggestion），并被美国物理学会旗下在线新闻网站“物理（physics.aps.org）”以“Electronic Bands Get a New Tuning Knob（电子能带获得新的调控手段）”为题，进行了精选报道（Featured in Physics）。

图示：人工笼目超晶格示意图。

能带结构是决定固体材料电子特性的基础，如何实现能带结构的按需设计与调控一直是凝聚态领域不懈追求的目标。二维材料由于具有灵活的栅压可调性以及易于构筑异质结的属性，为能带调控研究注入了新的活力。其中最典型的例子即在转角石墨烯体系中，利用层间摩尔势场成功构筑了无色散平带，并观测到了关联绝缘态、非常规超导、量子反常霍尔效应等。另一方面，利用微纳加工方式对二维材料施加周期型栅压可以构筑“人工电子超晶格”，从而实现类似于摩尔势场的能带调控作用。而且，相较于摩尔超晶格，人工电子超晶格的晶格图案、对称性以及势场强度均具有更灵活的可调性，为实现新型能带调控及物态设计提供了一个新的、更具可控性的研究平台。

近期，研究团队精心设计了一种具有笼目晶格形式的人工电子超晶格，实现了石墨烯能带结构中不同色散类型分量的选择型调控。经实验及理论研究发现，在人工笼目势场作用下，石墨烯能带中出现了线性色散能带和无色散平带等不同类型的能带分量。平带分量的电子态局域在超晶格格点处，而线性色散能带分量的电子态更加弥散，因此平带分量更容易被人工超晶格结构中的局域栅压调控。当增强人工势场强度时，平带分量的移动速度明显高于线性色散能带分量，从而导致了实验上观测到的本征狄拉克能带的抑制以及卫星狄拉克能带的增强。另一方面，在垂直磁场的作用下，由于磁场势与超晶格势的竞争，本征狄拉克能带重新占据主导作用。该工作提供了一种全新的原位能带调控手段，并对人工超晶格势场作用下能带演化的动力学过程进行了深入的理解。新闻网站“物理（physics.aps.org）”精选报道中评价到，该工作“为能带结构的按需设计奠定了基础（laying the groundwork for on-demand electronic band design）”。

图示：(a)人工笼目超晶格及色散选择型能带调控示意图；(b)超晶格能带中的线性色散能带分量（D1、D2）及平带分量（F1-F4）；(c)随着超晶格势场调制，本征狄拉克能带（IPD）消失，卫星狄拉克能带（SDP）增强。

中国科大博士生汪帅、西班牙Imdea Nanociencia研究所博士后詹真和中国科大范晓东特任副研究员为文章共同第一作者，中国科大曾长淦教授、武汉大学袁声军教授、Imdea Nanociencia研究所Francisco Guinea教授和中国科大范晓东特任副研究员为论文共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院以及安徽省的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.066302

Physics精选报道：https://physics.aps.org/articles/v17/s92

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）