科研进展|上科大刘健鹏课题组揭示摩尔石墨烯体系中普适电子结构和新奇磁电耦合效应

时间:2022-05-30浏览:10设置

      近日,鸭脖手机版刘健鹏课题组在摩尔石墨烯超晶格体系的电子结构和磁电耦合效应等方面取得进展,相关成果发表于计算材料领域顶级期刊《npj计算材料学》(npj Computational Materials)。

图1:交错转角多层石墨烯示意图。该体系由三组多层石墨烯组成,每一组内由任意堆垛方式的多层石墨烯构成,并在两组之间形成交错的转角。

石墨烯是由碳原子构成的、具有六角蜂窝晶格的单层二维材料。当两层石墨烯相对堆垛,并存在一个很小的相对转角时,会在实空间形成一个包含成千上万个碳原子的摩尔超晶胞。由于层间耦合效应,当在“魔角”附近,即两层间转角为1.05°左右时,转角双层石墨烯在动量空间会形成一套拓扑非平庸的摩尔平带。这种拓扑非平庸的摩尔平带会导致诸多新奇的物理现象,如量子反常霍尔效应、关联绝缘态、超导态等。实际上,上述现象不仅仅在转角双层石墨烯中存在。实验表明,当增加堆垛层数、扭转次数时,摩尔石墨烯体系会出现更加丰富的现象,如向列序态、违反泡利极限的非常规超导态等。这些现象本身需要科学家们从理论上给出合理的模型和解释,同时也进一步驱动人们研究交错转角多层石墨烯体系普适的电子结构和物理性质。

图2:交错转角多层石墨烯电子结构手性分解规则流程图

近日,刘健鹏课题组利用k.p模型分析、非约束平均场计算等方法,系统地研究了交错转角多层石墨烯体系中的电子结构和磁电耦合效应。研究人员对于如图1所示的交错转角多层石墨烯体系推导出了一套手性分解规则(如图2),应用该规则,可以无需计算,仅通过每组石墨烯的堆垛方式就能得到某些角度下体系的单电子能带特征。有趣的是,研究发现对于中层组的石墨烯层数大于2、且具有镜面对称性的交错转角多层石墨烯体系,一定会出现新奇的两套平带现象,带来更丰富的物理效应。进一步探究了两套平带所带来的库伦关联效应可以发现,对于最简单的具有两套平带的交错转角多层石墨烯体系,在某些整数填充时,会产生同时自发破缺镜面对称性和时间反演对称性的基态。这种新奇物态同时具有面外的电极化以及轨道磁矩,是一种由库伦关联效应驱动的多铁相。另外,由于在这种多铁相中电极化序参量和轨道磁矩序参量的紧密缠绕,该体系存在可通过电场调控轨道磁矩、并通过磁场调控电极化的轨道磁电耦合现象(如图3)。

图3:交错转角多层石墨烯中的轨道磁电耦合效应

    本研究探讨并揭示了交错转角多层石墨烯体系中新奇的电子结构和磁电耦合效应,不仅为该方向更进一步的理论研究打下基础,而且为实验研究指出新的可观测现象,成果以“Alternating twisted multilayer graphene: generic partition rules,double flat bands, and orbital magnetoelectric effect”为题发表于期刊《npj计算材料学》(npj Computational Materials)。鸭脖手机版物质学院2021级研究生解博为第一作者,刘健鹏教授为通讯作者,鸭脖手机版为第一完成单位。


鉴于近年来刘健鹏课题组在摩尔石墨烯体系的系列工作,近期刘健鹏教授和香港科技大学戴希教授受邀共同撰写并发表了一篇有关摩尔石墨烯体系轨道磁性研究的综述。该综述首先回顾了多项体现摩尔石墨烯体系关联和拓扑性质的实验进展,讨论了转角双层石墨烯平带的赝朗道能级图像以及在转角多层石墨烯体系中手性近似下平带谷陈数的普遍性规律。文章还系统讨论了转角双层石墨烯体系中关联绝缘态的理论进展,回顾了平带在不同的整数填充下体系相互作用基态的性质,并指出在有些填充数下的关联绝缘态可能具有非平庸的电流回路分布。文章最后就转角石墨烯体系中的超导现象、磁电响应、集体激发和量子临界性质和其它转角二维材料超晶格体系等作了展望。

    该综述以“Orbital magnetic states in moiré graphenesystems”为题发表于《自然·综述·物理》(Nature Review Physics)。鸭脖手机版物质学院刘健鹏教授和香港科技大学戴希教授为通讯作者,鸭脖手机版为第一完成单位和通讯单位。这项工作受到了科技部重点研发计划、鸭脖手机版启动经费和香港研究基金委的支持。

 

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41524-022-00789-5

https://www.nature.com/articles/s42254-021-00297-3


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