近日，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院殷隆晶副教授和秦志輝教授在魔角單-雙層石墨烯體系發(fā)現(xiàn)了局域與離域共存的平帶結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究成果以“Spectroscopic Visualization of Flat Bands in Magic-Angle Twisted Monolayer-Bilayer Graphene: Coexistence of Localization and Delocalization”為題發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》上，并入選Editors' Suggestion。

兩層范德華原子層相互扭轉(zhuǎn)一定角度，將形成莫爾超晶格結(jié)構(gòu)。莫爾超晶格能極大地調(diào)制材料的電子性質(zhì)，產(chǎn)生分立的低能平帶。這種平帶結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)電子相互作用，從而為探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象開辟了新的途徑。最典型的代表就是轉(zhuǎn)角雙層石墨烯。例如人們在轉(zhuǎn)角接近1.1°（即所謂的“魔角”）的雙層石墨烯中，發(fā)現(xiàn)了由平帶誘導(dǎo)的關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和超導(dǎo)態(tài)等。事實上，平帶結(jié)構(gòu)不僅僅只局限于雙層石墨烯，在多層石墨烯中同樣存在。且多層可能具有更加扁平的平帶，以及隨之產(chǎn)生的更顯著的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯（即一個單層和一個AB堆垛的雙層石墨烯相互扭轉(zhuǎn)）被預(yù)言是一種新的平帶體系，具有更高可調(diào)控性的平帶和拓?fù)湫再|(zhì)。最近，輸運(yùn)實驗在轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了可調(diào)的范霍夫奇點、關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和陳絕緣體態(tài)，表明該體系的確蘊(yùn)藏著豐富的莫爾物理。然而，目前缺少對轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯平帶的直接觀測，以及其微觀局域性質(zhì)的認(rèn)識。而這些研究對充分理解該體系豐富、新奇的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理是不可或缺的。

為此，殷隆晶副教授和秦志輝教授團(tuán)隊利用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，對魔轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的平帶結(jié)構(gòu)做了納米尺度的譜學(xué)探測。他們首先在同一樣品中制備出了轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯和轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的共存結(jié)構(gòu)（二者具有完全相同的轉(zhuǎn)角~1.13°）。利用掃描隧道譜測量，他們在轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的費米能級附近發(fā)現(xiàn)了一個很強(qiáng)的態(tài)密度峰，證實了平帶的存在。實驗發(fā)現(xiàn)，這個平帶峰的峰寬要比轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中的稍小，從而直接證實了理論預(yù)言的魔角多層比魔角雙層石墨烯的平帶更加扁平的結(jié)論。更有意思的是，平帶在轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯中表現(xiàn)出了獨特的局域和離域共存的特性，即平帶在轉(zhuǎn)角端局域，在雙層端離域。童慶軍教授通過連續(xù)性模型計算，很好地重復(fù)出了上述實驗結(jié)果。該研究中發(fā)現(xiàn)的新奇層依賴的局域-離域平帶共存，為利用二者之間的相互作用來探索研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象提供了一個前所未有的平臺。該研究也為進(jìn)一步理解轉(zhuǎn)角多層石墨烯體系中的莫爾物理提供了重要的微觀信息。

我校物理與微電子科學(xué)學(xué)院為該工作的唯一完成單位，物電院仝靈輝碩士生和童慶軍教授為共同第一作者，殷隆晶副教授和秦志輝教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、湖南省自然科學(xué)基金、湖南省科技創(chuàng)新計劃等經(jīng)費支持。

圖1.轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯的平帶譜學(xué)表征及與轉(zhuǎn)角雙層的對比

圖2.轉(zhuǎn)角單-雙層石墨烯層依賴的局域與離域共存的平帶

（來源：湖南大學(xué)）