中国科大和武汉大学在扭转双层石墨烯研究中取得重要进展（袁声军）

背景介绍

范德瓦尔斯堆叠的双层石墨烯具有一系列新奇的电学性质（例如，电场可调控的能隙、随扭转转角变化的范霍夫奇点以及一维拓扑边界态等）。特别地，当双层石墨烯的扭转转角减小到一系列特定的值（魔角）时，体系的费米面附近出现平带，电子在能量空间高度局域，电子-电子相互作用显著增强，出现莫特绝缘体和反常超导量子物态。另一方面，这些新奇的性质与双层石墨烯体系的扭转角度有着严格的依赖关系，体系层间相互作用随着转角减小会逐渐增强，因此探寻和研究这种层间耦合对理解扭转双层石墨烯的电子结构和物理性质至关重要。

重要进展

中国科大秦胜勇研究组、武汉大学袁声军研究组和其他国内外同行合作，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，首次在双层转角石墨烯体系中发现了本征赝磁场存在的重要证据，结合大尺度理论计算指出该赝磁场来源于层间相互作用导致的非均匀晶格重构。该研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”为题，于2020年1月17日发表于国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications 2020, , ）上。

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图：小角度双层石墨烯中本征赝磁场的发现。对于转角为0.48度的双层石墨烯，在不加外磁场情况下，实验发现了贋朗道能级（图b），理论计算进一步验证了这种贋磁场行为（图c），并估算出贋磁场值大约为6特斯拉（图e）。

该团队系统研究了小角度下（<1°）双层石墨烯的电学性质，首次证实了由晶格重构导致的本征赝磁场。首先，研究人员发现体系中赝磁场导致了低能载流子的能量量子化，并计算出这种本征赝磁场在实空间的分布。研究发现赝磁场的分布并不是均匀的，而是以AA堆叠为中心呈涡旋状，且在AA堆叠边界区域达到最大值；另外，该赝磁场的大小随着转角的减小而增大，其分布和大小受到外加应力的调控。该项研究证实，在小角度扭转双层石墨烯中晶格重构导致的赝磁场和强关联电子态存在着内在的关联，层间相互作用对体系的结构重构和性质变化有着非常重要的影响。这一现象可以推广到其他范德瓦尔斯堆叠的二维材料体系中。这项工作同时表明，具有本征赝磁场的小角度扭转双层石墨烯是实现量子反常霍尔效应的一个可能平台，为研究二维材料的性质和应用提供了新的思路。

中国科大秦胜勇研究组的博士生施浩浩和武汉大学袁声军研究组的詹真博士后为该论文的共同第一作者，秦胜勇教授和袁声军教授为共同通讯作者。

秦胜勇，中国科学技术大学物理系、合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。本科毕业于山东大学物理系；博士毕业于美国德州大学奥斯汀分校物理系。主要研究领域包括低维量子材料的生长制备、超导、量子效应和电子输运；以及超高真空低温扫描隧道显微镜、原子力显微镜等多种仪器的研制等，多篇论文发表在Science、Proc. Natl. Acad. Sci.、Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Mater. 等国际高水平学术刊物上。

袁声军，武汉大学物理科学与技术学院教授。本科毕业于浙江大学物理系；博士毕业于荷兰格罗宁根大学。主要的研究领域为计算物理学、凝聚态理论和高性能科学计算，包括发展针对复杂量子体系的多尺度模拟方法，发展针对量子多体问题的计算方法，低维量子体系的电学、光学、输运和等离基元性质，通用量子计算机模拟，以及强关联自旋系统的弛豫和退相干等。