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徐楠/吴冯成课题组实现原位可调控的高阶摩尔效应
发布时间:2022-10-21 10:22  作者:  来源:高等研究院  阅读:

新闻网讯(通讯员高妍)近日,高等研究院教授徐楠课题组与物理科学与技术学院教授吴冯成、张晨栋和袁声军合作,使用角分辨光电子能谱(ARPES)和原位薄膜生长调控技术,在国际上首次实现了大范围原位可调控的高阶摩尔效应。相关研究在线发表于Physical Review Letters(《物理评论快报》)。

论文题目为“Tailoring Dirac fermions byinsitutunable high-order moirépattern in graphene-monolayer xenon heterostructure”(《石墨烯-氙单原子层异质结中原位可调的高阶摩尔效应对狄拉克费米子的调制》)。高等研究院2020级博士生吴春龙、博士后万强为共同第一作者,徐楠与吴冯成为共同通讯作者,武汉大学和武汉量子技术研究院为文章的共同署名单位。

“摩尔效应”是指相近的周期性结构之间调制产生的一个具有更大周期性的结构。近年来,研究发现低维材料堆叠产生的摩尔效应可以导致体系具有强关联的窄带电子结构,可以实现关联绝缘体、超导、磁性和非平庸的拓扑态等一系列新奇的物态,为新奇量子态提供了一个研究平台。前期摩尔效应的研究主要集中在晶格常数相同或相近的低维材料体系,周期大范围内原位连续可调的摩尔效应是人们追求的调控量子态的有力工具。

近年来,徐楠与合作者对“高阶摩尔效应”开展了一系列研究。在晶格常数相差较大的异质结中,一阶摩尔效应较弱。研究发现,如果体系的晶格超胞常数相近,其具有较强的高阶摩尔效应,进而对电子结构产生调制作用。在此前的研究中,他们在石墨烯-碳化硅异质结提出,高阶摩尔效应可以导致周期为1.9纳米的摩尔超结构,解释了ARPES实验新观测到的多个间距不等的狄拉克复制能带(Phys. Rev. B 104, 235130 (2020))。

最近,通过在单层石墨烯上原位生长氙单原子层并开展ARPES测量,课题组首次实现了摩尔周期原位大范围可调节的高阶摩尔效应。通过原位退火调节氙单原子层的晶格常数的方式,高阶摩尔效应的周期可以从纳米级别调制到无穷大。ARPES在布里渊区中心附近观测到狄拉克复制能带,随着摩尔周期变大而逐渐靠近并最终重合。理论模型指出,类比于转角石墨烯中狄拉克费米子的层间相互作用,石墨烯-氙单原子层异质结中狄拉克费米子的能谷间耦合也可以在大摩尔周期条件导致摩尔窄带,有望实现新奇的关联电子物态。该工作发现了一个研究摩尔条纹连续演变的新平台,并为调制狄拉克费米子的能谷间耦合提供了新方法。

石墨烯-氙单原子中高阶摩尔效应对电子结构调制示意图(左图)和不同摩尔周期中狄拉克复制能带的移动(右图)

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.176402

(供图:高等研究院 编辑:相茹)

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