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堆垛是二維層狀材料一個獨特的結(jié)構(gòu)自由度，在對稱性破缺和各種新奇的電學、光學、磁學以及拓撲現(xiàn)象等方面發(fā)揮著重要作用。例如，與具有中心對稱性的2H堆垛雙層二硫化鉬形成明顯對比，3R堆垛雙層二硫化鉬的空間反演對稱性是破損的，為光谷電子學和非線性物理提供了一個理想平臺。圖1：不同極性體系的LO聲子在布里淵區(qū)中心附近行為示意圖。近年來，三層石墨烯引發(fā)了研究人員的廣泛關(guān)注。通常，三層石墨烯可呈現(xiàn)出兩種不同的堆疊幾何構(gòu)型：ABC堆垛和ABA堆垛。ABC堆垛和ABA堆垛的三層石墨烯具有完全不一樣的對稱性和電子特性，如中心對稱ABC堆垛的三層石墨烯具有電場可調(diào)的能隙，并可展現(xiàn)出一些列ABA堆垛三層石墨烯不具有的關(guān)聯(lián)物態(tài)：Mott 絕緣態(tài)、超導、鐵磁、自發(fā)的量子霍爾態(tài)等。如何理解ABC堆垛三層石墨烯中的這些獨特關(guān)聯(lián)物態(tài)是當前的重要研究前沿之一。
圖2. 柵電壓可調(diào)的Raman光譜
電子-聲子耦合是凝聚態(tài)物理長期以來的重要研究課題之一，是許多新奇物理現(xiàn)象和量子相變的基礎(chǔ)。在二維體系中，電子-聲子耦合的作用通常比在常規(guī)的三維體系中扮演更重要的作用。探索三層石墨烯中堆垛相關(guān)的電聲耦合對理解所觀測到的物理現(xiàn)象的微觀機制和設(shè)計新型器件應用是至關(guān)重要的。
圖3. 激發(fā)頻率依賴的近場紅外光譜
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心N07課題組的博士生昝曉洲在杜羅軍特聘研究員、張廣宇研究員的指導下，和國家納米科學中心的戴慶研究員、楊曉霞研究員、郭相東博士、上海交通大學史志文教授研究團隊合作，通過柵電壓可調(diào)的Raman光譜和激發(fā)頻率依賴的近場紅外光譜，闡明了ABC堆垛三層石墨烯中電子和紅外聲子之間的強耦合，為理解ABC堆垛三層石墨烯中的新奇關(guān)聯(lián)物態(tài)如超導、鐵磁性等提供了新的視角。同時，利用堆垛依賴的電子-聲子耦合，我們提出了一種簡單、無損、高效、高空間分辨的成像技術(shù)以鑒別石墨烯的堆垛次序，為將來多層石墨烯以及轉(zhuǎn)角石墨烯的研究提供了堅實的科學技術(shù)基礎(chǔ)。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4. 利用Raman成像技術(shù)實現(xiàn)石墨烯堆垛次序的簡單、無損、高效的鑒別
相關(guān)研究成果以“Electron/infrared-phonon coupling in ABC trilayer graphene”為題發(fā)表在Nature Communications 15, 1888 (2024)。中國科學院物理研究所的博士生昝曉洲、國家納米科學中心的郭相東博士為共同第一作者，中國科學院物理研究所的杜羅軍特聘研究員、張廣宇研究員、國家納米科學中心的戴慶研究員為共同通訊作者。本研究工作獲得來自科技部重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金委，廣東省重點研發(fā)計劃，中國科學院先導B等項目的資助。
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