背景介紹
範德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有一系列新奇的電學性質（例如，電場可調控的能隙、隨扭轉轉角變化的範霍夫奇點以及一維拓撲邊界態等）。特別地，當雙層石墨烯的扭轉轉角减小到一系列特定的值（魔角）時，體系的費米麵附近出現平帶，電子在能量空間高度局域，電子-電子相互作用顯著增强，出現莫特絕緣體和反常超導量子物態。另一方面，這些新奇的性質與雙層石墨烯體系的扭轉角度有著嚴格的依賴關係，體系層間相互作用隨著轉角减小會逐漸增强，囙此探尋和研究這種層間耦合對理解扭轉雙層石墨烯的電子結構和物理性質至關重要。
實驗、理論重大突破
中國科大秦勝勇研究組、武漢大學袁聲軍研究組和其他國內外同行合作，利用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，首次在雙層轉角石墨烯體系中發現了本征贗磁場存在的重要證據，結合大尺度理論計算指出該贗磁場來源於層間相互作用導致的非均勻晶格重構。該研究成果以“Large-area，periodic，and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”為題，於2020年1月17日發表於國際權威期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
圖：小角度雙層石墨烯中本征贗磁場的發現。對於轉角為0.48度的雙層石墨烯，在不加外磁場情况下，實驗發現了贗朗道能級（圖b），理論計算進一步驗證了這種贗磁場行為（圖c），並估算出贗磁場值大約為6特斯拉（圖e）。
該團隊系統研究了小角度下（<1°）雙層石墨烯的電學性質，首次證實了由晶格重構導致的本征贗磁場。首先，研究人員發現體系中贗磁場導致了低能載流子的能量量子化，並計算出這種本征贗磁場在實空間的分佈。研究發現贗磁場的分佈並不是均勻的，而是以AA堆疊為中心呈渦旋狀，且在AA堆疊邊界區域達到最大值；另外，該贗磁場的大小隨著轉角的减小而增大，其分佈和大小受到外加應力的調控。該項研究證實，在小角度扭轉雙層石墨烯中晶格重構導致的贗磁場和强關聯電子態存在著內在的關聯，層間相互作用對體系的結構重構和性質變化有著非常重要的影響。這一現象可以推廣到其他範德瓦爾斯堆疊的二維資料體系中。這項工作同時表明，具有本征贗磁場的小角度扭轉雙層石墨烯是實現量子反常霍爾效應的一個可能平臺，為研究二維資料的性質和應用提供了新的思路。
中國科大秦勝勇研究組的博士生施浩浩和武漢大學袁聲軍研究組的詹真博士後為該論文的共同第一作者，秦勝勇教授和袁聲軍教授為共同通訊作者。
圖|何林
北京師範大學何林教授點評：單層石墨烯中的應變結構在一定情况下會產生贗磁場。通過該贗磁場可以實現零外磁場下的朗道量子化和量子穀霍爾效應。因為贗磁場沒有破壞時間反演對稱性，它在石墨烯的兩個穀中大小相等、方向相反，所以結合贗磁場和真實磁場還能實現對石墨烯中穀贗自旋的調控。但是，贗磁場依賴於石墨烯中原子級別的應變結構，所以通過控制石墨烯應變結構來精准調控贗磁場存在比較大的困難。在雙層有轉角石墨烯中，層間原子的堆垛和耦合强度提供了另一個全新的自由度來調控石墨烯中的贗磁場。最近，中國科大秦勝勇研究組和武漢大學袁聲軍研究組利用掃描隧道顯微鏡實驗，首次在小角度雙層石墨烯體系中發現了贗磁場存在的重要證據。結合理論計算，他們指出該贗磁場主要來源於雙層石墨烯的層間强耦合作用導致的晶格重構，其强度在實空間的分佈受到雙層轉角石墨烯的原子堆垛管道和應變的調控。這一工作證實可以在小轉角雙層石墨烯中實現大面積、週期性的贗磁場。近兩年，在小轉角雙層石墨烯（尤其是魔角雙層石墨烯）中，關聯絕緣態、超導態、鐵磁態、和量子反常霍爾態等一系列新奇關聯量子物態陸續被發現。中國科大秦勝勇研究組和武漢大學袁聲軍研究組這一工作揭示小轉角雙層石墨烯中還有一系列新奇物性亟待發現和研究。
圖|陳劍豪
北京大學陳劍豪教授點評：轉角雙層石墨烯中實現的强關聯電子態以及非常規超導現象直接導致了“轉角電子學”（Twistronics）這一新的研究熱點現象的出現。研究人員在實驗上發現了在一系列範德瓦爾斯資料體系中，其電學性質隨層間轉角而變化，並且在一些特定的“奇點”上衍生出新的奇异的量子現象。例如雙層體系的層間相互作用隨著轉角的减小而增大，同時頻寬减少，狄拉克電子的費米速度减小。特別是，在”魔角“的時候出現的量子相變現象（電子强關聯現象）有理論認為與此時層間相互作用達到極值有直接的關係。然而，這種强的層間相互作用對體系的電子學性質的影響現時仍然非常少。基於此，秦勝勇和袁聲軍課題組合作，結合掃描隧道顯微鏡量測和理論計算展開研究，利用掃描隧道譜直接觀察到雙層石墨烯中狄拉克電子能量量子化（朗道能級）存在的實驗證據，理論計算錶明在接近魔角情形下的雙層石墨烯層間强耦合導致晶格重構，該重構跟旋轉角度呈嚴格依賴關係，並且在實空間產生週期分佈的贗磁場。該研究首次揭示了雙層石墨烯中層間强相互作用對體系電學性質的决定作用，即在研究體系的强關聯性質的時候晶格重構應成為不可忽視的因素。同時，雙層石墨烯中空間週期性分佈的贗磁場可作為潜在的平臺來實現反常量子霍爾效應。
個人簡介
圖|秦勝勇
秦勝勇，中國科學技術大學物理系、合肥微尺度物質科學國家研究中心教授。本科畢業於山東大學物理系；博士畢業於美國德州大學奧斯丁分校物理系。主要研究領域包括低維量子資料的生長製備、超導、量子效應和電子輸運；以及超高真空低溫掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等多種儀器的研製等，多篇論文發表在Science，Proc.Natl.Acad.Sci.，Phys.Rev.Lett.，Nat.Commun.，Nano Lett.、Adv. Mater.等國際高水准學術刊物上。
圖|袁聲軍
袁聲軍，武漢大學物理科學與技術學院教授。本科畢業於浙江大學物理系；博士畢業於荷蘭格羅寧根大學。主要的研究領域為計算物理學、凝態理論和高性能科學計算，包括發展針對複雜量子體系的多尺度類比方法，發展針對量子多體問題的計算方法，低維量子體系的電學、光學、輸運和等離基元性質，通用量子電腦類比，以及强關聯自旋系統的弛豫和退相干等。