【儀表網(wǎng) 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(jié)構(gòu)和非平庸拓撲特性的材料體系對實現(xiàn)新奇物理效應(yīng)具有重要意義。近日，清華大學(xué)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(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)隨電子摻雜的奇異行為，他們還揭示了該材料的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。
 

　　圖1.菱方石墨的晶體結(jié)構(gòu)及拓撲平帶表面態(tài)(a)菱方石墨側(cè)視圖，其中t0和γ0為層內(nèi)和層間的最近鄰躍遷參數(shù)。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(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)使得少層菱方石墨烯具有易受電場調(diào)控的特性，且呈現(xiàn)出分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)等新奇物理效應(yīng)。菱方石墨烯費米能附近的電子態(tài)密度與動量成指數(shù)關(guān)系(指數(shù)由其層數(shù)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(xiàn)平帶和非平庸拓撲物理。
 

　　周樹云課題組瞄準(zhǔn)這一重要的物理體系，通過多年攻關(guān)，實現(xiàn)了高質(zhì)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(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，該材料的體態(tài)呈現(xiàn)狄拉克錐狀能帶結(jié)構(gòu)(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(jié)合實驗結(jié)果和理論計算結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)該平帶對應(yīng)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(jié)構(gòu)隨表面電子摻雜的演化。(a-c)菱方石墨平帶電子結(jié)構(gòu)隨表面電子摻雜的演化(d-f)電子結(jié)構(gòu)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(xiàn)奇異行為(圖2)。隨著摻雜，平帶產(chǎn)生劈裂。具體表現(xiàn)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(xiàn)象可以歸結(jié)為電子-電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)這一重要的關(guān)聯(lián)相互作用。
 

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

　　相關(guān)研究成果以“菱形石墨中的相關(guān)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(xué)院院報》(Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS)。
 

　　清華大學(xué)物理系教授周樹云為論文通訊作者，物理系“水木學(xué)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(xué)廉骉教授，清華大學(xué)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(xué)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(xué)基金委重點項目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、清華大學(xué)“水木學(xué)者”計劃和博士后面上項目等的資助。