文章导读
你是否想过，一张薄到极致的碳材料竟能孕育出全新的量子世界？上海交大王世勇、史志文团队联合上科大刘健鹏课题组，在菱方多层石墨烯中首次于原子尺度揭示了零场下的层间反铁磁关联态，并捕捉到缺陷处的磁性束缚态。他们通过扫描隧道显微技术，在四层石墨烯中观测到17 meV的关联能隙，证实其为电子强关联驱动的对称性破缺态。这项突破不仅为石墨烯中的非常规超导与量子磁性提供了微观实验证据，更打开了调控二维材料强关联性质的大门。
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近日，上海交通大学王世勇课题组，史志文课题组，上海科技大学刘健鹏课题组在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上以“Electronic correlations in Rhombohedral Graphene at Atomic Scale”为题发表研究成果，文章中报道了菱形堆叠石墨烯中零场下的层间反铁磁关联态以及缺陷处磁性束缚态的现象。
菱形堆叠石墨烯因其独特的能带结构，已成为研究量子磁性、非常规超导与分数量子霍尔等新奇量子现象的重要材料平台。但在原子尺度上的直接观测仍然有限，制约了对其电子关联起源的微观理解。本工作中，研究团队成功制备出洁净的三层与四层菱形堆叠石墨烯样品，并在可调载流子密度与垂直磁场条件下，借助扫描隧道显微镜（STM）与扫描隧道光谱（STS）对样品的电子结构进行了系统表征。实验在原子尺度结合局域散射与缺陷成像，识别出四层样品在电荷中性点处出现约 17 meV 的能隙——这一绝缘态在三层样品中未被观测到。考虑到平均场能带计算预示该体系应为金属，且该能隙可被外加磁场或掺杂有效抑制，研究团队将此绝缘相判定为由电子强关联驱动的对称性破缺态，而非单纯的带隙效应。电子密度成像亦未显示明显的谷间相干特征。
图1.a菱形堆叠石墨烯器件结构；b-d菱形堆叠石墨烯结构；e-f 关联绝缘态的参杂和磁场依赖关系；h-i 准粒子散射图案
为探讨该关联态的磁学本质，团队进一步开展局域散射实验：在关联绝缘区域，非磁性缺陷周围出现束缚态，而在靠近磁性缺陷的区域则未见类似束缚态，表明非磁性掺杂可在表面层诱导自旋纹理。结合理论计算，该关联绝缘态为层间反铁磁对称性破缺态，其层内为亚铁磁，层间为反铁磁。离开关联区域时，样品呈现清晰的 Friedel 振荡，通过对实空间振荡的分析可精确反演四层菱形石墨烯的能带色散。
本研究在原子尺度上提供了零场下菱形堆叠石墨烯关联效应的直接证据，揭示了表面亚铁磁化与层间反铁磁耦合并存的机制；谷间相干缺失及在磁／非磁缺陷处的不同响应进一步深化了对该关联相微观起源的理解。该工作为未来调控石墨烯基强关联性质、非常规超导提供了研究基础。
该论文发表在Physical Review Letters上，上海交通大学博士研究生刘宇峰、李宗霖和姜淑丹为文章的共同第一作者。论文合作者包括上海交大贾金锋院士团队、李听昕副教授、陈国瑞副教授、李灿助理研究员，日本物质·材料研究机构Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi。本项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金委、上海交大2030项目和合肥实验室的经费支持。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/fv52-pd3h
作者： 叶丹 供稿单位： 物理与天文学院
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