【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)王世勇課題組，史志文課題組，上海科技大學(xué)劉健鵬課題組在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上以“Electronic correlations in Rhombohedral Graphene at Atomic Scale”為題發(fā)表研究成果，文章中報道了菱形堆疊石墨烯中零場下的層間反鐵磁關(guān)聯(lián)態(tài)以及缺陷處磁性束縛態(tài)的現(xiàn)象。
菱形堆疊石墨烯因其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，已成為研究量子磁性、非常規(guī)超導(dǎo)與分?jǐn)?shù)量子霍爾等新奇量子現(xiàn)象的重要材料平臺。但在原子尺度上的直接觀測仍然有限，制約了對其電子關(guān)聯(lián)起源的微觀理解。本工作中，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出潔凈的三層與四層菱形堆疊石墨烯樣品，并在可調(diào)載流子密度與垂直磁場條件下，借助掃描隧道顯微鏡(STM)與掃描隧道光譜(STS)對樣品的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)表征。實(shí)驗(yàn)在原子尺度結(jié)合局域散射與缺陷成像，識別出四層樣品在電荷中性點(diǎn)處出現(xiàn)約 17 meV 的能隙——這一絕緣態(tài)在三層樣品中未被觀測到。考慮到平均場能帶計算預(yù)示該體系應(yīng)為金屬，且該能隙可被外加磁場或摻雜有效抑制，研究團(tuán)隊(duì)將此絕緣相判定為由電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)驅(qū)動的對稱性破缺態(tài)，而非單純的帶隙效應(yīng)。電子密度成像亦未顯示明顯的谷間相干特征。
圖1.a菱形堆疊石墨烯器件結(jié)構(gòu)；b-d菱形堆疊石墨烯結(jié)構(gòu)；e-f 關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的參雜和磁場依賴關(guān)系；h-i 準(zhǔn)粒子散射圖案
為探討該關(guān)聯(lián)態(tài)的磁學(xué)本質(zhì)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展局域散射實(shí)驗(yàn)：在關(guān)聯(lián)絕緣區(qū)域，非磁性缺陷周圍出現(xiàn)束縛態(tài)，而在靠近磁性缺陷的區(qū)域則未見類似束縛態(tài)，表明非磁性摻雜可在表面層誘導(dǎo)自旋紋理。結(jié)合理論計算，該關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)為層間反鐵磁對稱性破缺態(tài)，其層內(nèi)為亞鐵磁，層間為反鐵磁。離開關(guān)聯(lián)區(qū)域時，樣品呈現(xiàn)清晰的 Friedel 振蕩，通過對實(shí)空間振蕩的分析可精確反演四層菱形石墨烯的能帶色散。
本研究在原子尺度上提供了零場下菱形堆疊石墨烯關(guān)聯(lián)效應(yīng)的直接證據(jù)，揭示了表面亞鐵磁化與層間反鐵磁耦合并存的機(jī)制；谷間相干缺失及在磁/非磁缺陷處的不同響應(yīng)進(jìn)一步深化了對該關(guān)聯(lián)相微觀起源的理解。該工作為未來調(diào)控石墨烯基強(qiáng)關(guān)聯(lián)性質(zhì)、非常規(guī)超導(dǎo)提供了研究基礎(chǔ)。
該論文發(fā)表在Physical Review Letters上，上海交通大學(xué)博士研究生劉宇峰、李宗霖和姜淑丹為文章的共同第一作者。論文合作者包括上海交大賈金鋒院士團(tuán)隊(duì)、李聽昕副教授、陳國瑞副教授、李燦助理研究員，日本物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi。本項(xiàng)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金委、上海交大2030項(xiàng)目和合肥實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。
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