【儀表網 研發(fā)快訊】平帶和非平庸拓撲物態(tài)是凝聚態(tài)物理的兩個重要研究方向，尋找兼具平帶電子結構和非平庸拓撲特性的材料體系對實現新奇物理效應具有重要意義。近日，清華大學物理系周樹云教授課題組及合作者發(fā)文報道菱方石墨的拓撲平帶電子結構。他們發(fā)現該材料是拓撲節(jié)線半金屬，且其平帶拓撲表面態(tài)受體態(tài)拓撲特性的保護。此外，通過平帶電子結構隨電子摻雜的奇異行為，他們還揭示了該材料的電子關聯(lián)效應。
 

　　圖1.菱方石墨的晶體結構及拓撲平帶表面態(tài)(a)菱方石墨側視圖，其中t0和γ0為層內和層間的最近鄰躍遷參數。左下角為一維SSH模型示意圖(b)實驗探測的拓撲平帶(紅色箭頭所指)和體態(tài)狄拉克錐(黑色箭頭所指)(c)體態(tài)狄拉克錐頂點形成的狄拉克節(jié)線和“鼓膜”拓撲表面態(tài)示意圖
 

　　在菱方石墨中，相鄰碳原子層之間沿碳-碳鍵方向發(fā)生平移(簡稱ABC堆垛)，形成如圖1a所示晶體結構。這種特殊結構使得少層菱方石墨烯具有易受電場調控的特性，且呈現出分數量子反常霍爾效應等新奇物理效應。菱方石墨烯費米能附近的電子態(tài)密度與動量成指數關系(指數由其層數決定)，因此作為少層菱方石墨烯的母體，菱方石墨可具有更平的平帶和更高的態(tài)密度。此外，菱方石墨的最近鄰相互作用可類比一維Su-Schrieffer-Heeger(SSH)拓撲模型，有望同時實現平帶和非平庸拓撲物理。
 

　　周樹云課題組瞄準這一重要的物理體系，通過多年攻關，實現了高質量菱方石墨樣品的制備以及高分辨角分辨光電子能譜(ARPES/NanoARPES)的測量，從而揭示該體系的獨特拓撲平帶電子結構及關聯(lián)效應。他們發(fā)現，該材料的體態(tài)呈現狄拉克錐狀能帶結構(圖1b中黑色箭頭所指)，并且體態(tài)狄拉克錐的頂點在三維動量空間kx-ky-kz形成螺旋狀節(jié)線(圖1c)，表明該材料是一個拓撲節(jié)線半金屬。此外，在費米能附近觀測到清晰的平帶(圖1b中紅色箭頭所指)，結合實驗結果和理論計算結果，他們發(fā)現該平帶對應于拓撲節(jié)線半金屬的表面態(tài)(即“鼓膜“表面態(tài)，圖1c)，并且該拓撲表面態(tài)受體態(tài)拓撲特性的保護。
 

　　圖2.平帶電子結構隨表面電子摻雜的演化。(a-c)菱方石墨平帶電子結構隨表面電子摻雜的演化(d-f)電子結構演化示意圖
 

　　更有意思的是，該拓撲平帶隨表面電子摻雜呈現奇異行為(圖2)。隨著摻雜，平帶產生劈裂。具體表現為：更低能量處能帶的帶寬隨表面電子摻雜濃度增加而顯著增大(紅色箭頭)，而費米能附近的平帶帶寬及能量則幾乎保持不變(橙色箭頭)。這一現象可以歸結為電子-電子關聯(lián)效應這一重要的關聯(lián)相互作用。
 

　　研究成果揭示了菱方石墨的拓撲平帶及關聯(lián)效應，為更進一步探索拓撲和關聯(lián)作用共存的新奇物理效應奠定了基礎。
 

　　相關研究成果以“菱形石墨中的相關拓撲平面帶”(Correlated topological flat bands in rhombohedral graphite)為題，于10月16日在線發(fā)表于《美國科學院院報》(Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS)。
 

　　清華大學物理系教授周樹云為論文通訊作者，物理系“水木學者”張紅云和2024屆博士畢業(yè)生李騫為論文共同第一作者。論文合作者還包括美國普林斯頓大學廉骉教授，清華大學物理系段文暉院士、姚宏教授、于浦教授、徐勇教授，北京航空航天大學湯沛哲教授，美國先進同步輻射光源BL403線站，上海同步輻射光源BL03U線站，法國同步輻射光源ANTARES線站等。研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金委重點項目、基礎科學中心項目、清華大學“水木學者”計劃和博士后面上項目等的資助。