【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學王世勇課題組，史志文課題組，上海科技大學劉健鵬課題組在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上以“Electronic correlations in Rhombohedral Graphene at Atomic Scale”為題發表研究成果，文章中報道了菱形堆疊石墨烯中零場下的層間反鐵磁關聯態以及缺陷處磁性束縛態的現象。
菱形堆疊石墨烯因其獨特的能帶結構，已成為研究量子磁性、非常規超導與分數量子霍爾等新奇量子現象的重要材料平臺。但在原子尺度上的直接觀測仍然有限，制約了對其電子關聯起源的微觀理解。本工作中，研究團隊成功制備出潔凈的三層與四層菱形堆疊石墨烯樣品，并在可調載流子密度與垂直磁場條件下，借助掃描隧道顯微鏡(STM)與掃描隧道光譜(STS)對樣品的電子結構進行了系統表征。實驗在原子尺度結合局域散射與缺陷成像，識別出四層樣品在電荷中性點處出現約 17 meV 的能隙——這一絕緣態在三層樣品中未被觀測到。考慮到平均場能帶計算預示該體系應為金屬，且該能隙可被外加磁場或摻雜有效抑制，研究團隊將此絕緣相判定為由電子強關聯驅動的對稱性破缺態，而非單純的帶隙效應。電子密度成像亦未顯示明顯的谷間相干特征。
圖1.a菱形堆疊石墨烯器件結構；b-d菱形堆疊石墨烯結構；e-f 關聯絕緣態的參雜和磁場依賴關系；h-i 準粒子散射圖案
為探討該關聯態的磁學本質，團隊進一步開展局域散射實驗：在關聯絕緣區域，非磁性缺陷周圍出現束縛態，而在靠近磁性缺陷的區域則未見類似束縛態，表明非磁性摻雜可在表面層誘導自旋紋理。結合理論計算，該關聯絕緣態為層間反鐵磁對稱性破缺態，其層內為亞鐵磁，層間為反鐵磁。離開關聯區域時，樣品呈現清晰的 Friedel 振蕩，通過對實空間振蕩的分析可精確反演四層菱形石墨烯的能帶色散。
本研究在原子尺度上提供了零場下菱形堆疊石墨烯關聯效應的直接證據，揭示了表面亞鐵磁化與層間反鐵磁耦合并存的機制；谷間相干缺失及在磁/非磁缺陷處的不同響應進一步深化了對該關聯相微觀起源的理解。該工作為未來調控石墨烯基強關聯性質、非常規超導提供了研究基礎。
該論文發表在Physical Review Letters上，上海交通大學博士研究生劉宇峰、李宗霖和姜淑丹為文章的共同第一作者。論文合作者包括上海交大賈金鋒院士團隊、李聽昕副教授、陳國瑞副教授、李燦助理研究員，日本物質·材料研究機構Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi。本項工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金委、上海交大2030項目和合肥實驗室的經費支持。
所有評論僅代表網友意見，與本站立場無關。