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研究背景

菱形石墨烯（RG）是由ABC堆疊形成的石墨烯材料，因其在電荷中性點(diǎn)（CNP）處呈現(xiàn)平坦的能帶結(jié)構(gòu)而成為研究熱點(diǎn)。RG材料的低能扁帶具有獨(dú)特的能量色散特性，隨著層數(shù)的增加，能帶逐漸變得更加平坦，這為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象提供了理想平臺(tái)。然而，RG多層材料中的關(guān)聯(lián)效應(yīng)及其層依賴性仍未被充分探討，尤其是在不同層數(shù)的RG中，電子結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)態(tài)的演變尚不明確。因此，如何理解和利用RG多層中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)成為當(dāng)前研究的重要挑戰(zhàn)。

成果簡介

有鑒于此，湖南大學(xué)殷隆晶教授、秦志輝教授以及河北師范大學(xué)王文曉教授等人攜手在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的最新論文。研究者們通過掃描隧道顯微鏡（STM）和譜學(xué)（STS）技術(shù)，深入探討了從三層到九層的RG材料的電子結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RG多層材料的電子結(jié)構(gòu)在層數(shù)增加時(shí)呈現(xiàn)明顯的層依賴性，其中低能扁帶隨著層數(shù)增多而變得更加平坦。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，RG多層材料中存在顯著的層間耦合效應(yīng)，尤其是在六層RG中，關(guān)聯(lián)態(tài)的強(qiáng)度達(dá)到了最大值。這些發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了理論預(yù)測，表明RG材料是一種具有高度可接近性和穩(wěn)定性的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理系統(tǒng)。通過這些研究，科學(xué)家不僅深入理解了RG多層材料的層依賴性，還為強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的進(jìn)一步研究提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次觀察到三至九層菱形石墨烯（RG）多層材料中的層依賴電子結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)效應(yīng)，得到了RG不同層數(shù)下的低能扁帶及層間耦合強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)通過掃描隧道顯微鏡（STM）和譜學(xué)（STS）技術(shù)，獲得了不同層數(shù)RG的隧道譜，展示了在電荷中性點(diǎn)（CNP）處扁帶引起的尖銳態(tài)密度（DOS）峰，以及由遠(yuǎn)程帶引起的DOS峰。這些結(jié)果為層依賴電子結(jié)構(gòu)的研究提供了直接證據(jù)。

（3）通過對(duì)不同層數(shù)RG的填充變化STS測量，發(fā)現(xiàn)低能扁帶在部分填充時(shí)發(fā)生顯著分裂，分裂能量范圍從50 meV到80 meV，表明RG多層材料中存在由相互作用引起的強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)。

（4）實(shí)驗(yàn)還表明，RG中的關(guān)聯(lián)態(tài)強(qiáng)度隨著層數(shù)的增加而增強(qiáng)，并在六層RG中達(dá)到了最大值，直接驗(yàn)證了理論預(yù)測，進(jìn)一步證明RG是一個(gè)研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的理想平臺(tái)。

圖文解讀

圖 1. 菱形多層石墨烯的形貌和光譜

圖 2. 菱面體多層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)演變

圖 3. 平帶 LDOS 峰的摻雜依賴性

圖 4. 電子相關(guān)性的層依賴性

結(jié)論展望

本文的研究揭示了多層石墨烯(RG)的層依賴性相關(guān)態(tài)，特別是其在低溫下的表現(xiàn)，提供了新的研究方向。首先，作者發(fā)現(xiàn)6層石墨烯在液氮溫度下展現(xiàn)出層增強(qiáng)的相關(guān)態(tài)，最大相互作用強(qiáng)度的出現(xiàn)為理解多層RG的帶結(jié)構(gòu)和相關(guān)相提供了寶貴信息，說明多層結(jié)構(gòu)可能為研究新型超導(dǎo)或其他多體物理現(xiàn)象提供了理想平臺(tái)。其次，層間躍遷和局部庫倫相互作用對(duì)帶隙的影響，使得該系統(tǒng)具有層次化的物理特性，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)理解復(fù)雜材料的電子相互作用至關(guān)重要。

同時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)即便在常規(guī)摻雜情況下，3至10層石墨烯展現(xiàn)出更強(qiáng)的相關(guān)效應(yīng)，提出了與熱波動(dòng)競爭的可能性，暗示多層石墨烯可能在低溫下表現(xiàn)出穩(wěn)健的集體行為。因此，本文的研究不僅為多層石墨烯的物理性質(zhì)提供了深入的理解，也為未來探索非常規(guī)超導(dǎo)及其他新型集體現(xiàn)象提供了新的思路和可能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

文獻(xiàn)信息

Zhang, Y., Zhou, YY., Zhang, S. et al. Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024).

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