近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中國科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾長淦教授、范曉東特任副研究員與武漢大學(xué)袁聲軍教授，以及西班牙Imdea Nanociencia研究所Francisco Guinea教授、博士后詹真合作，利用精心設(shè)計(jì)的人工籠目超晶格勢場，實(shí)現(xiàn)了石墨烯中不同色散類型能帶的選擇性調(diào)控。相關(guān)研究結(jié)果于8月6日發(fā)表在權(quán)威物理期刊《物理評論快報(bào)》上，文章入選編輯推薦（Editors’ Suggestion），并被美國物理學(xué)會旗下在線新聞網(wǎng)站“物理（physics.aps.org）”以“Electronic Bands Get a New Tuning Knob（電子能帶獲得新的調(diào)控手段）”為題，進(jìn)行了精選報(bào)道（Featured in Physics）。
圖示：人工籠目超晶格示意圖。
能帶結(jié)構(gòu)是決定固體材料電子特性的基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的按需設(shè)計(jì)與調(diào)控一直是凝聚態(tài)領(lǐng)域不懈追求的目標(biāo)。二維材料由于具有靈活的柵壓可調(diào)性以及易于構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)的屬性，為能帶調(diào)控研究注入了新的活力。其中最典型的例子即在轉(zhuǎn)角石墨烯體系中，利用層間摩爾勢場成功構(gòu)筑了無色散平帶，并觀測到了關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)、非常規(guī)超導(dǎo)、量子反常霍爾效應(yīng)等。另一方面，利用微納加工方式對二維材料施加周期型柵壓可以構(gòu)筑“人工電子超晶格”，從而實(shí)現(xiàn)類似于摩爾勢場的能帶調(diào)控作用。而且，相較于摩爾超晶格，人工電子超晶格的晶格圖案、對稱性以及勢場強(qiáng)度均具有更靈活的可調(diào)性，為實(shí)現(xiàn)新型能帶調(diào)控及物態(tài)設(shè)計(jì)提供了一個新的、更具可控性的研究平臺。
近期，研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了一種具有籠目晶格形式的人工電子超晶格，實(shí)現(xiàn)了石墨烯能帶結(jié)構(gòu)中不同色散類型分量的選擇型調(diào)控。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及理論研究發(fā)現(xiàn)，在人工籠目勢場作用下，石墨烯能帶中出現(xiàn)了線性色散能帶和無色散平帶等不同類型的能帶分量。平帶分量的電子態(tài)局域在超晶格格點(diǎn)處，而線性色散能帶分量的電子態(tài)更加彌散，因此平帶分量更容易被人工超晶格結(jié)構(gòu)中的局域柵壓調(diào)控。當(dāng)增強(qiáng)人工勢場強(qiáng)度時(shí)，平帶分量的移動速度明顯高于線性色散能帶分量，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)上觀測到的本征狄拉克能帶的抑制以及衛(wèi)星狄拉克能帶的增強(qiáng)。另一方面，在垂直磁場的作用下，由于磁場勢與超晶格勢的競爭，本征狄拉克能帶重新占據(jù)主導(dǎo)作用。該工作提供了一種全新的原位能帶調(diào)控手段，并對人工超晶格勢場作用下能帶演化的動力學(xué)過程進(jìn)行了深入的理解。新聞網(wǎng)站“物理（physics.aps.org）”精選報(bào)道中評價(jià)到，該工作“為能帶結(jié)構(gòu)的按需設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)（laying the groundwork for on-demand electronic band design）”。
圖示：(a)人工籠目超晶格及色散選擇型能帶調(diào)控示意圖；(b)超晶格能帶中的線性色散能帶分量（D1、D2）及平帶分量（F1-F4）；(c)隨著超晶格勢場調(diào)制，本征狄拉克能帶（IPD）消失，衛(wèi)星狄拉克能帶（SDP）增強(qiáng)。
中國科大博士生汪帥、西班牙Imdea Nanociencia研究所博士后詹真和中國科大范曉東特任副研究員為文章共同第一作者，中國科大曾長淦教授、武漢大學(xué)袁聲軍教授、Imdea Nanociencia研究所Francisco Guinea教授和中國科大范曉東特任副研究員為論文共同通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.066302
Physics精選報(bào)道：https://physics.aps.org/articles/v17/s92
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
