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研究背景

隨著二維材料研究的快速發(fā)展，莫爾超晶格因其在強(qiáng)相關(guān)物理中的獨(dú)特表現(xiàn)而引起了廣泛關(guān)注。特別是扭曲三層石墨烯（TTG）作為一種新型的莫爾結(jié)構(gòu)，由于其可調(diào)節(jié)的扭轉(zhuǎn)角，展現(xiàn)出了豐富的物理現(xiàn)象，如平坦能帶和超導(dǎo)性等。然而，盡管已有大量理論研究預(yù)測(cè)TTG中會(huì)出現(xiàn)多種新奇的相關(guān)相，關(guān)于其具體的結(jié)構(gòu)特征及平坦能帶的直接局部表征依然不足，這為作者理解和控制相關(guān)的莫爾物理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

與傳統(tǒng)的周期性莫爾結(jié)構(gòu)不同，TTG準(zhǔn)晶體的準(zhǔn)周期性使得相關(guān)相的研究更加復(fù)雜和富有挑戰(zhàn)性。當(dāng)前的研究主要集中在平坦能帶的存在及其對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響上，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于平坦能帶的局部化和電子結(jié)構(gòu)的直接觀察仍然缺乏。因此，明確TTG的原子級(jí)別結(jié)構(gòu)及其與電子行為之間的關(guān)系是理解其物理特性的關(guān)鍵。

成果簡(jiǎn)介

為了解決上述問(wèn)題，北京師范大學(xué)何林教授課題組以及IMDEA Nanoscience的Zhen Zhan等人攜手在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Robust flat bands in twisted trilayer graphene moiré quasicrystals”的最新論文。研究者利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道光譜（STS）對(duì)TTG的莫爾準(zhǔn)晶體進(jìn)行局部表征。通過(guò)直接成像不同區(qū)域的平坦能帶分布，研究者們揭示了其在結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)上的顯著差異。此外，結(jié)合理論計(jì)算，研究還展示了莫爾圖案的重構(gòu)和干涉如何受到扭轉(zhuǎn)角的影響，進(jìn)而深入理解了TTG中的相關(guān)物理。

本研究的核心在于通過(guò)對(duì)TTG的系統(tǒng)表征，提供了平坦能帶在不同扭轉(zhuǎn)角度下的特征化視圖，填補(bǔ)了現(xiàn)有研究的空白。作者的發(fā)現(xiàn)不僅有助于理解TTG的電子結(jié)構(gòu)特征，也為未來(lái)在更復(fù)雜的二維材料系統(tǒng)中探索相關(guān)量子現(xiàn)象提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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何林2009年7月于北京大學(xué)物理學(xué)院獲得博士學(xué)位，博士畢業(yè)后一直在北京師范大學(xué)物理學(xué)系工作, 現(xiàn)為教授，博士生導(dǎo)師。2015年獲得中組部青年拔尖人才計(jì)劃，2014年獲得 “優(yōu)秀青年基金”的支持。過(guò)去幾年，何林在石墨烯物性研究這一重要科學(xué)問(wèn)題上取得了一系列原創(chuàng)性突破，近5年，共發(fā)表了50余篇SCI論文，其中作為通訊作者帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)發(fā)表了38篇SCI論文，包括4篇PRL,2篇Nature Commun.和25篇PRB。論文被引用1500余次?；谏鲜鲅芯砍晒?，何林受邀在美國(guó)物理年會(huì)March Meeting、Graphene Week等重要國(guó)際/國(guó)內(nèi)會(huì)議上作大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次在扭曲三層石墨烯（TTG）中觀察到平坦能帶，展示了不同扭轉(zhuǎn)角對(duì)下的獨(dú)特原子和電子結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)為理解相關(guān)量子現(xiàn)象提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道光譜（STS）對(duì)TTG莫爾準(zhǔn)晶體進(jìn)行局部表征，觀察到平坦能帶的光譜特征。這些特征直接確認(rèn)了理論上預(yù)測(cè)的魔相，顯示了平坦能帶在不同區(qū)域的空間分布，且各區(qū)域展現(xiàn)出不同的對(duì)稱性。

（3）研究結(jié)果表明，TTG的晶格放松和莫爾圖案干涉強(qiáng)烈依賴于扭轉(zhuǎn)角度，進(jìn)一步揭示了莫爾準(zhǔn)晶體的復(fù)雜性。這項(xiàng)工作為在準(zhǔn)周期性系統(tǒng)中探索新型相關(guān)物理現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，顯示出TTG在研究強(qiáng)相關(guān)相中的潛力。

圖文解讀

圖1：TTG中莫爾結(jié)構(gòu)（MoM）及計(jì)算的魔角對(duì)（θTM, θMB）的示意圖。

圖2：TTG中堆疊構(gòu)型的局部表征。

圖3：樣品3中的平坦能帶及其空間分布。

圖4：樣品4中的平坦能帶及其空間分布。

圖5：具有不同扭轉(zhuǎn)角對(duì)的TTG的電子特性。

結(jié)論展望

本文揭示了扭曲三層石墨烯（TTG）中平坦能帶的存在及其與扭轉(zhuǎn)角度的深刻關(guān)系，為理解相關(guān)量子現(xiàn)象提供了重要線索。研究表明，TTG的莫爾準(zhǔn)晶體在不同區(qū)域展現(xiàn)出顯著的對(duì)稱性差異，這為探索新型的相關(guān)物理相提供了新的視角。通過(guò)直接的空間映射和理論計(jì)算，作者發(fā)現(xiàn)莫爾圖案的重構(gòu)及其干涉現(xiàn)象在扭轉(zhuǎn)角度的影響下表現(xiàn)出復(fù)雜的依賴性，這暗示了在二維材料中調(diào)控電子結(jié)構(gòu)的新潛力。

此外，TTG的高度可調(diào)性使其成為研究準(zhǔn)周期性系統(tǒng)中的強(qiáng)相關(guān)現(xiàn)象的理想平臺(tái)。這些發(fā)現(xiàn)不僅拓展了作者對(duì)莫爾物理的理解，也為未來(lái)在2D材料中探索其他新型量子現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了相關(guān)材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，推動(dòng)了量子計(jì)算和電子器件的發(fā)展。因此，TTG及其相關(guān)系統(tǒng)的研究具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)信息

Hao, CY., Zhan, Z., Pantaleón, P.A. et al. Robust flat bands in twisted trilayer graphene moiré quasicrystals. Nat Commun 15, 8437 (2024).

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/10/19/6c77ab9190/

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