PRL丨清華大學周樹雲教授研究組及合作者,石墨烯手征對稱性破缺的實驗證實

手征是相對論無質量狄拉克費米子的一個基本物理特性。石墨烯具有可類比於相對論無質量狄拉克費米子的低能激發,從而提供了一個在凝態資料體系中實現手征對稱性破缺的理想體系。清華大學物理系周樹雲研究組及合作者通過在石墨烯中插層Li金屬,成功製備出高品質、具有凱庫勒超晶格結構的石墨烯。

手征(chirality)是相對論無質量狄拉克費米子的一個基本物理特性。在標準模型中,自發手征對稱性破缺(chiral symmetry breaking,簡稱CSB)是質子和中子等粒子的質量的主要起源。石墨烯具有可類比於相對論無質量狄拉克費米子的低能激發,從而提供了一個在凝態資料體系中實現手征對稱性破缺的理想體系。

圖1:凱庫勒石墨烯結構及手征對稱性破缺導致的能隙打開。(a)石墨烯的K和K能穀具有相反的手征,它們的耦合作用導致了能隙D的打開。(b)凱庫勒石墨烯的費米麵。(c,d)通過Li插層石墨烯獲得的凱庫勒石墨烯的俯視圖和側視圖。c中的紅色和黑色代表兩種不同强度的化學鍵。

手征的定義是自旋或贗自旋在動量方向的投影。類比於電子自旋的兩能級系統,石墨烯元胞中位於K和K’兩個動量能穀的狄拉克費米子具有不同方向的贗自旋(圖1(a)中藍色和黃色箭頭),並且其手征相反。如果將這兩個能穀具有相反手征的狄拉克費米子耦合起來,就有希望打破手征對稱性從而導致能隙的打開。該效應可類比於基本粒子質量的產生,囙此石墨烯是一個探索手征對稱性破缺和質量產生的一個理想凝態資料體系。

為了實現手征對稱性破缺,一個重要途徑是在石墨烯中引入能够把兩個能穀中手征相反的狄拉克費米子耦合起來的凱庫勒超晶格結構。儘管具有該結構的石墨烯自從2000年理論學家提出之後就備受關注,然而目前為止,實驗上仍然缺乏手征對稱性破缺的直接的確切實驗證據,尤其是對手征對稱性敏感的直接實驗證據以及手征對稱性破缺導致的能隙的觀測。

圖2:凱庫勒石墨烯中手征對稱性破缺的實驗證據。(a)凱庫勒石墨烯在動量空間K點和Γ點附近的能帶,可清晰觀察到狄拉克錐在狄拉克點處能隙的打開(Δ1和Δ2)。(b)利用偏振依賴角分辨光電子能譜,直接揭示了石墨烯的兩個能穀具有不同的手征(分別用紅色和藍色表示),證實了在能隙邊緣處手征對稱性的破缺(黑色箭頭所指)。(c)實驗觀測到的上下兩個狄拉克錐及能隙的示意圖。(d)原子分辨掃描隧道顯微鏡形貌量測圖,揭示了在費米能附近石墨烯顯示出六角晶格結構(上圖),而在能隙邊緣則呈現具有由膨脹的六角晶格和扭曲的六角晶格形成的具有O型構型的凱庫勒結構(Kekulé-O pattern)(下圖)。

清華大學物理系周樹雲研究組及合作者通過在石墨烯中插層Li金屬(圖1(c,d)),成功製備出高品質、具有凱庫勒超晶格結構的石墨烯。角分辨光電子能譜實驗結果(圖2(a))直接觀測到狄拉克錐頂點處能隙的打開,結合第一性原理計算,驗證了該能隙是由Li原子插層形成的凱庫勒結構所導致,從而確定它是手征對稱性破缺導致的能隙。掃描隧道顯微鏡量測結果(圖2(d))表明,在能隙附近的形貌圖顯示出與具有O型構型的凱庫勒結構(Kekulé-O)吻合的結構。進一步的,利用偏振依賴的雷射角分辨光電子能譜實驗結果(圖2(b)),驗證了石墨烯兩個能穀的狄拉克錐具有不同的手征,並且在狄拉克錐的能隙附近,手征對稱性消失。這三個實驗結果,提供了具有凱庫勒超晶格結構石墨烯中手征對稱性破缺的確切實驗證據,為進一步研究手征對稱性破缺相關的新奇物理性質,例如分數電荷和非平庸的拓撲效應等提供了基礎。

該工作以“Experimental evidence of chiral symmetry breaking in a Kekulé-ordered graphene”為題於2021年5月19日發表在Physical Review Letters雜誌並被選為Editors' Suggestion,Physics雜誌刊發Viewpoint文章“Shinning a light on chiral symmetry breaking in graphene”對這個工作的科學意義進行了專門評估。清華大學物理系的周樹雲教授為該論文的通訊作者,清華大學物理系博士生鮑昌華和張紅雲為該文章的共同第一作者。合作者包括北京理工大學王業亮研究組,清華大學深圳國際研究生院李佳研究組,清華大學姚宏教授、於浦教授和段文暉教授。

該研究工作得到了科技部重大研究專項計畫(2016YFA0301004、2016YFA0301001、2020YFA0308800)、國家自然科學基金委(11725418、11427903、61871035,61901038,61725107、11874036、11825404)、清華大學自主研發項目和北京未來晶片科技高精尖創新中心等的經費資助。

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