转角石墨烯体系的拓扑特性和轨道磁性

本文介绍了转角双层石墨烯和多层石墨烯中的电子结构、拓扑性质以及轨道磁性.在转角双层石墨烯中,由于两层石墨烯之间的相对旋转会形成具有长周期的摩尔条纹.由转角产生的摩尔势场会在摩尔超元胞中产生方向相反的赝磁场,与两层的石墨烯中的狄拉克电子耦合,从而产生赝朗道能级.而魔角石墨烯中的每个谷和自旋自由度的两条平带就等价于两个具有相反陈数的零赝朗道能级.这样的赝朗道能级表示可以很自然地解释一系列"魔角"的来源,也对理解魔角双层石墨烯中观测到的关联绝缘态和量子反常霍尔效应具有重要意义.本文进一步讨论了转角多层石墨烯,并发现转角多层石墨烯体系中普遍存在具有非平庸拓扑性质的平带.这些拓扑平带通常具有非零的谷陈数,并且在一定近似下可以由一个普适的规律描述.本文还讨论了转角石墨烯体系中的拓扑平带所具有的轨道磁性.如果时间反演对称性自发破缺,转角石墨烯体系会处于一个谷极化的基态.这样的谷极化基态是一个在摩尔尺度上的轨道磁性态,在摩尔超胞中具有纳米尺度的环状电流分布.之前的理论提出在转角双层石墨烯体系中观测到的关联绝缘态的本质就是一种净磁矩为零的"摩尔轨道反铁磁态".当体系的C_(2z)对称性被氮化硼衬底破坏时,转角石墨烯中的谷极化基态则变成了一种"摩尔轨道铁磁态",它不仅具有(量子)反常霍尔效应,也具有新奇的磁光效应和非线性光学响应.     

石墨烯中新奇量子物态的研究

石墨烯特殊的晶格结构和能带结构赋予了它独特的电学性质. 近年来, 分数量子霍尔态、 魔角石墨烯中的 关联绝缘体态和超导态等现象的发现不断证明着石墨烯是一种理想的二维模型体系, 可用于实现一系列新奇的量子物态, 对石墨烯中新奇量子物态的探测和调控也一直是凝聚态物理领域的前沿研究热点之一. 本文将系统地介绍近年来石墨烯中对称性破缺量子物态的研究进展, 包括平带中强关联量子物态的研究以及谷赝自旋调控的研究, 并介绍一种在纳米尺度、 单电子精度上探测二维材料体系简并度及对称性破缺态的普适方法, 希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

二维范德瓦耳斯半导体莫尔超晶格实验研究进展

在二维范德瓦耳斯材料中,可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格.自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来,利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题.本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展.在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角,实验上,一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实.进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.     

转角半导体过渡金属硫族化物莫尔超晶格中的新奇物态

通过转角或晶格失配构造莫尔人工超晶格,可以对二维材料的能带结构进行有效调控并产生平带,为研究量子多体物理提供了全新的平台.转角过渡金属硫族化物(TMDs)半导体莫尔超晶格中的平带存在于较大的转角范围,并且具有自旋-能谷互锁的能带结构以及优异的光学特性,受到了广泛的关注.本文聚焦于转角TMDs半导体,介绍了近年来实验上发现的多种新奇物态,包括莫特绝缘态、广义维格纳晶体、非平庸拓扑态、莫尔激子等;还进一步讨论了对这些新奇物态的调控及其机制,并展望了莫尔超晶格这一新兴领域未来的研究方向.     

超冷~(87)Rb原子在二维光晶格中Mott绝缘态的实验实现

超冷原子气体的量子相变是研究量子关联多体物理的核心内容之一.本文采用单一激光光束通过折叠反射产生二维光晶格,通过控制激光偏振产生两种不同的二维光晶格结构,一种是两个独立的一维光晶格构成,另一种是两个方向的一维光晶格互相干涉形成.将超冷~(87)Rb原子装载到二维光晶格中,通过改变光晶格激光功率调控原子在光晶格中的隧穿强度和相互作用强度,观察到~(87)Rb原子从超流态到Mott绝缘态之间的量子相变,并且分析了两种光晶格对量子相变的影响,为今后开展光晶格中强关联物理研究奠定基础.     

二硫化钼的电子能带结构和低温输运实验进展

二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体,它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用.本综述以二硫化钼为代表,系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构;介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展,例如超导和强关联现象;分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战,并展望该领域未来的发展.     

二维材料平带的实现及其新奇量子物态

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

碳化硅衬底上外延双层石墨烯的电输运性质

石墨烯是低维材料领域研究的热点,在这一体系中研究发现了诸多新奇的量子现象,深入理解石墨烯的电输运性质对于其在未来电子学器件中的应用具有重要的意义.本文通过热分解的方法在SiC单晶衬底上获得外延的双层石墨烯,并系统研究了其电输运性质.在小磁场范围内观测到弱局域化效应,并在较大的磁场区间发现了不饱和线性磁阻.通过角度依赖的磁阻测量,发现该线性磁阻现象符合二维体系的磁输运特征.还在平行场下观测到了负磁阻效应,可能是由双层石墨烯的转角莫尔条纹导致的局部晶格起伏导致的.本文工作加深了对于外延生长的层间具有一定转角的双层石墨烯的电输运性质的认识.     

从光晶格中释放的超冷玻色气体密度-密度关联函数研究

利用量子旋转场理论详细研究了从光晶格中释放的超冷玻色气体的空间密度-密度关联函数.由于量子旋转场理论充分考虑了光晶格中冷原子气体的粒子数涨落和相位效应,该理论能有效应用于具有强相互作用的冷原子系统,从而光晶格处于超流态到绝缘态逐渐过渡过程中的超冷原子气体的关联特性在这一理论体系下都得到了很好的描述.结果表明:随着超冷玻色气体逐渐从绝缘态向超流态过渡,其密度-密度关联图样中连续对角斜线也逐渐向分散的尖峰过渡,理论结果与目前实验观测到的结果符合.除此以外,上述密度-密度关联的结果中还包含了超冷原子系统量子耗散效应,相关结论与目前已有的理论和实验一致.     

转角双层石墨烯在应变下的光电导率

理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率,用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、态密度以及光电导率,发现这些量随应变的变化是连续且显著的.通过对能带的分析以及光电导率的测量能够获得应变对平带产生的实际影响,这为今后实验对应变与平带的研究打下基础;此外样品往往受到具有空间不均匀性的应变作用,测量其局域的光电导率便能够估计应变的空间分布大小;同时应变对能带的调制为原位调控转角双层石墨烯的强关联、拓扑以及量子效应提供了思路.     

二维半导体材料中激子对介电屏蔽效应的探测及其应用

二维过渡金属硫族化合物作为二维半导体材料领域研究的重要分支,凭借较强的光-物质相互作用和独特的自旋-谷锁定等特性,吸引了广泛而持久的关注.单层的二维过渡金属硫族化合物半导体具有直接带隙,在二维的极限下,由于介电屏蔽效应的减弱,电荷间的库仑相互作用得到了显著的增强,其光学性质主要由紧密束缚的电子-空穴对—激子主导.本文简单回顾了近年来二维过渡金属硫族化合物光谱学的研究历程,阐述了栅压和介电环境对激子的调制作用,之后重点介绍了一种新颖的激子探测方法.由于激发态激子(里德伯态)的玻尔半径远大于单原子层本身的厚度,电子-空穴对之间的电场线得以延伸到自身之外的其他材料中.这使得二维半导体材料的激子可以作为一种高效的量子探测器,感知周围材料中与介电函数相关的物理性质的变化.本文列举了单层WSe₂激子在探测石墨烯-氮化硼莫尔(moiré)超晶格势场引发的石墨烯二阶狄拉克点,以及WS₂/WSe₂莫尔超晶格中分数填充的关联绝缘态中的应用.最后,本文展望了这种无损便捷、高空间分辨率、宽适用范围的激子探测方法在其他领域的潜在应用场景.     

转角二维量子材料中平带相关的新奇电子态物性

二维量子材料具有诸多新奇的电子态物性,又易受到外部因素的影响和调控,因此成为近年来凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一.而当以不同的旋转角度和堆叠次序制备出二维量子材料的异质结时,莫尔超晶格的形成又进一步诱导了异质结电子能带结构的重整化,从而形成电子平带结构,再结合外加电场、磁场、应力场等外部条件,即可实现对材料整体新奇物性的设计与调控.本文主要围绕转角石墨烯及过渡金属硫族化合物异质结中的相关研究展开讨论,包括与平带物理相关的强关联效应、非常规超导现象、量子反常霍尔效应、拓扑相以及电子晶体等行为,并对未来的研究发展进行了展望.     

压力环境下重费米子体系的物性探索

@@@@重费米子体系是近藤晶格中的强关联电子系统,它由于电、磁等相互作用的竞争呈现出丰富的电子基态,而且由于各种相互作用的能量尺度较小,它会对外界参量(压力、掺杂、磁场)的调控比较敏感。文章论述了重费米子体系的基本性质和它在压力环境下的物性演变以及相关的量子临界现象。超导态一般会出现在量子临界点附近,文章特别以“115”超导体系为例,讲述了超导态与其他长程序共存时可能出现的纹络化结构,介绍了如何运用压力下的谱学测量(如转角比热、软点接触隧道谱)来研究压力下重费米子体系的物性特别是超导序参量的对称性。     

双层石墨烯材料中无序导致超导-绝缘体相变的数值研究

本文利用一种新的数值方法研究了在较大的双层石墨烯样品中杂质的无序 效应对超导态特性的影响. 采用核多项式方法 (Kernel Polynomial Method) 来自洽求解双层石墨烯系统的Bogoliubov-de-Gennes (BdG) 方程, 从而得到了由无序效应所引起的超导序参量的空间涨落精确解. 进一步, 计算了系统处于超导态时的态密度、光电导和广义逆参与率 (inverse participation ratio) 等物理量, 并发现随着无序强度的不断增大态密度中的能隙被 完全抑制, 同时光电导的Drude权重也迅速减小并最终降为零, 这表明双层石墨烯中的低能电子态发生了安德森局域化, 系统因而发生了由无序效应诱导的超导-绝缘体相变. 关键词： 双层石墨烯 安德森局域化 超导-绝缘体相变 核多项式方法     

石墨烯纳米网电导特性的能带机理：第一原理计算

通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理.能带结构分析结果表明:石墨烯纳米网超晶格(3m,3n)(m和n为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并;碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态分裂形成的宽度可调带隙,无论石墨烯的两个子晶格是否对等.在具有磁性网孔阵列的石墨烯纳米网中,反铁磁耦合使对称子晶格的反演对称性增加了一项量子限制条件,导致能带结构在K点的二重简并态分裂成带隙.通过控制网孔密度能够有效调节石墨烯纳米网的带隙宽度,为实现新一代石墨烯纳米电子器件提供了理论依据.     

双层转角石墨烯的结构和电学性质

石墨烯是第一个被发现的层状二维材料,它的电学性质对层数和层间的堆垛方式有很强的 依赖性。而层间的转角可以被看作是调控石墨烯电学性质的又一个可控的自由度。本文主要综述 双层转角石墨烯的基本结构与性质,重点讲述转角对双层石墨烯电学性质的影响。我们将从理论 与实验结合的角度出发,介绍双层转角石墨烯中Dirac 费米子的新奇物理特性,重点阐述如何通 过转角来调控石墨烯的电学性质。最后我们对双层转角石墨烯的研究现状进行总结和展望。     

单层正三角锯齿型石墨烯量子点的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA),对不同尺寸(N=2—11)的单层正三角锯齿型石墨烯量子点(Z_N -GNDs)的结构进行优化,得到与实验数据较好符合的晶格常数,进一步计算得到不同尺寸下体系的自旋多重度、磁矩、电子态密度以及自旋电子密度.结果表明:所有体系都呈现金属性,在尺寸较小的体系中量子尺寸效应对电子结构的影响比较明显;与单层石墨烯片一样,sp²杂化作用和非键态电子在量子点中仍起到非常重要的作用;费米能级上有自旋向上的电子分布,体系的 关键词： 石墨烯 量子点 电子结构 磁性     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

一维石墨烯超晶格上的氢吸附

通过化学气相沉积法在一种典型的高指数面铜(410)-氧上制备出了一维石墨烯超晶格,并利用拉曼光谱(Raman)、低能电子衍射(LEED)、扫描隧道显微术(STM)等方法研究了氢原子在该超晶格上的吸附.实验结果揭示了由于超晶格的调制作用所引起的无缺陷石墨烯区域的选择性吸附,氢原子优先吸附在石墨烯超晶格一维周期中的相同部位.这一发现为进一步通过一维超晶格调控石墨烯的性质提供了更多可能.在石墨烯上的吸附氢原子除了单个或成对存在之外,实验还首次观察到一种新的三氢原子位型.     

首次实现莫尔量子点阵列与微腔光子的强耦合

正"魔角"石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜,开辟了凝聚态物理研究的新篇章。类似的,将两种单层过渡金属硫族化合物(TMDCs)叠加起来,也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构,称为莫尔超晶格。莫尔超晶格可以调控激子的能级,并且晶格周期可由转角连续调控,提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台。