中國科大在人工籠目超晶格中實(shí)現(xiàn)色散選擇型能帶調(diào)控

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?；魻栃?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(gè)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)。