清华新闻网5月6日电 转角双层石墨烯因在魔角附近展现出一系列新奇的强关联现象，例如非常规超导、莫特绝缘态、磁性等而备受关注。其核心物理源自费米能附近的平带电子结构，因此，对该转角体系平带电子结构的探测及调控是理解转角体系相关物理的关键。清华大学物理系周树云研究组继近期发文报道转角双层石墨烯的平带电子结构随转角的演化进展之后，又进一步将平带研究拓展到由单层石墨烯和双层石墨烯堆叠形成的转角单-双层石墨烯，并且通过施加原位栅极电压调控的方法，首次揭示了转角单-双层石墨烯中，外电场的方向对平带电子结构的双向选择性调控作用，即通过改变电场方向，使其平带电子结构更多体现了单层和双层石墨烯的特性。

在转角石墨烯体系中，转角单-双层石墨烯因破坏了垂直于界面方向的反演对称性而体现出独特的性质。例如，通过对转角单-双层石墨烯施加垂直于面外方向的电场，研究人员利用输运测量观测到转角单-双层石墨烯中关联态相图随电场存在非对称的演化。在该体系中，外电场对平带电子结构的调控，是其根本物理，因此在施加原位电场的条件下，探测其平带电子结构的演化对于实现丰富的物态调控具有重要意义。

图1. 转角单-双石墨烯中电子结构随外场的双向调控作用。（a）可原位调控栅极电压的NanoARPES测量示意图。（b-d）转角单-双层石墨烯（2.2°）在栅极电压为20 V、0 V以及-20 V下的NanoARPES测量电子结构。（e-g）转角单-双层石墨烯电子结构随外场的双向演化总结示意图

周树云研究组通过巧妙地改进转角石墨烯体系的样品制备方法，成功获得了可原位施加栅极电压的高质量转角单-双层石墨烯样品，并结合具有百纳米级空间分辨率的角分辨光电子能谱（NanoARPES）（图1）和原子力显微镜（AFM）这两种互补实验技术，直接揭示了其费米能处清晰的平带电子结构，并且发现其带宽与体系中库伦相互作用大小相当，证实该体系存在较强电子-电子相互作用。更有意思的是，在原位施加栅极电压下，转角单-双层石墨烯的电子结构出现了两个显著的随电场演化效应：1、来自单层、双层石墨烯贡献部分的谱重强度（ARPES信号强度）出现了选择性增强（图1）；2、费米能处平带电子结构在负向或正向电压时变得更平或具有更强色散（图2），体现了双层和单层石墨烯的性质。通过结合实验测量结果和理论计算，周树云研究组及其合作者揭示了转角单-双层石墨烯中在外加电场下，由于电荷在层间的重新分布而导致的谱重和平带色散随电场的不对称演化的依赖结果。这些研究结果为理解转角体系中电子结构随外场演化的普遍规律提供了重要的电子能谱实验信息。

图2. 转角单-双层石墨烯的平带电子结构随电场的演化。（a-e）NanoARPES测量不同电场下的电子结构演化结果。测量方向同时穿过单、双层石墨烯K点，如（a）中插图所示。（f-j）理论计算不同电场下的电子结构演化，与（a-e）中实验观测结论一致

相关研究成果以“转角单-双层石墨烯中电子结构随外场的双向演化”（Observation of dichotomic field-tunable electronic structure in twisted monolayer-bilayer graphene）为题，于5月3日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学物理系教授周树云为论文的通讯作者，清华大学物理系“水木学者”张红云博士和2021级博士生李骞为论文的共同第一作者。主要合作团队包括中国科学院物理研究所研究员翁红明和吴泉生、韩国首尔大学教授郑在日（Jeil Jung）、清华大学物理系教授段文晖、于浦及法国国家同步辐射实验室等。研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目、基础科学中心项目、清华大学“水木学者”计划和博士后面上项目等的资助，同时得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48166-8

供稿：物理系

题图设计：赵存存

编辑：李华山

审核：郭玲