以1.08°雙層石墨烯(魔角石墨烯)由拐角堆疊而成，具有非常規(guī)超導(dǎo)、莫特絕緣、磁性等一系列新穎的強(qiáng)相關(guān)物質(zhì)。這些現(xiàn)象與其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)——費(fèi)米能處的平帶密切相關(guān)。因此，平帶的研究和調(diào)節(jié)是了解魔角石墨烯中強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的重要基礎(chǔ)。近日，清華大學(xué)物理系周樹云教授及其合作伙伴首次直接檢測角落兩層石墨烯的平帶，以及遠(yuǎn)離費(fèi)米能的遠(yuǎn)帶電子結(jié)構(gòu)隨角落演變的規(guī)律，揭示了角落周圍晶格放松的重要性。本研究工作以“轉(zhuǎn)角兩層石墨烯的平帶演變和晶格松弛作用”為基礎(chǔ)。（Evolution of flat band and role of lattice relaxations in twisted bilayer graphene）問題發(fā)表于《自然·材料》(Nature Materials)期刊。

魔角石墨烯的平帶不僅明顯依賴于角落和莫爾周期，而且其電子結(jié)構(gòu)對(duì)固層耦合和晶格松弛也非常敏感。所以，隨著轉(zhuǎn)角和晶格弛豫的演變，檢測角石墨烯的電子結(jié)構(gòu)對(duì)了解這個(gè)系統(tǒng)的物理尤為重要。但由于制備和測試兩層石墨烯樣品的挑戰(zhàn)，目前魔角石墨烯的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在電氣運(yùn)輸和隧道顯微鏡掃描等方面，缺乏隨角度演變的平帶直接測試和觀測。

圖1. 將NanoARPES與AFM測量相結(jié)合，對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和實(shí)際空間的莫爾周期進(jìn)行檢測。

通過不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)角石墨烯樣品制備方法，周樹云研究組成功獲得了1.07的轉(zhuǎn)角覆蓋?！?魔角周圍)到2.60°兩層石墨烯樣品的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)角，結(jié)合具有百納米空間分辨率的角度辨別光電子能譜(NanoARPES)和原子力顯微鏡(AFM)這兩種互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)(圖1)將動(dòng)量空間中的電子結(jié)構(gòu)與實(shí)際空間中的莫爾周期聯(lián)系起來，揭示了平帶隨角度的進(jìn)化規(guī)律(圖2)，并直接從實(shí)驗(yàn)中展示了魔角樣品中極窄帶寬和由此產(chǎn)生的顯著相關(guān)效應(yīng)。這項(xiàng)研究還首次直接觀察到遠(yuǎn)離費(fèi)米能的遠(yuǎn)帶電子結(jié)構(gòu)隨著拐角的譜重轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并提取了固層耦合的參數(shù)。從光電譜學(xué)的角度，揭示了拐角石墨烯系統(tǒng)中的晶格松弛效應(yīng)，進(jìn)而指出晶格松弛對(duì)魔角石墨烯平帶的形成和強(qiáng)相關(guān)性的重要作用。這項(xiàng)研究還首次直接觀察到遠(yuǎn)離費(fèi)米能的遠(yuǎn)帶電子結(jié)構(gòu)隨著拐角的譜重轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，提取了固層耦合的參數(shù)，從光電子譜的角度揭示了拐角石墨烯系統(tǒng)中的晶格松弛效應(yīng)，進(jìn)而指出晶格松弛對(duì)魔角石墨烯平帶的形成和強(qiáng)相關(guān)性的重要作用。這些發(fā)現(xiàn)為了解魔角石墨烯中的平帶電子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相關(guān)物理提供了重要信息。

圖2. 角落兩層石墨烯的平帶電子結(jié)構(gòu)和莫爾周期隨著角落的演變而演變。(a-e) 角落石墨烯的三維能帶結(jié)構(gòu)，角落從1.07°逐步增加到2.60°。費(fèi)米可以分別對(duì)應(yīng)上、下石墨烯狄拉克點(diǎn)的紅色和藍(lán)色點(diǎn)。(g-j) 運(yùn)用 AFM 對(duì)莫爾周期進(jìn)行測量。

清華大學(xué)物理系周樹云教授是該論文的通訊作者，清華大學(xué)物理系博士生李騫和“水木學(xué)者”張紅云博士是該論文的共同第一作者。合作團(tuán)隊(duì)包括北京大學(xué)物理學(xué)院宋志達(dá)助理教授、清華大學(xué)物理系段文暉教授、于浦教授、清華大學(xué)航空工程學(xué)校李群仰教授、法國國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室等。這項(xiàng)研究得到了清華大學(xué)低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持，包括科技部重點(diǎn)R&D計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃和博士后項(xiàng)目。

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https://www.nature.com/articles/s41563-024-01858-4

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原標(biāo)題：“復(fù)材信息”Nat. Mater.：魔角石墨烯平帶的重要進(jìn)展

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