中國科大通過壓力調控首次觀測到石墨烯／六方氮化硼二維莫爾超晶格中三級能隙

　　中國科學技術大學張增明教授、喬振華教授、秦維教授等人組成的聯合團隊在二維莫爾超晶格的量子調控研究中取得突破性進展。該團隊自主研發了一套適用于極高壓力的范德華異質結量子輸運測量技術，并以石墨烯/六方氮化硼（h-BN）莫爾超晶格為平臺，實驗證明了通過壓力可大幅增強莫爾勢，首次觀測到理論預言的“三級能隙”（tertiary gap）。這一成果為利用壓力調控莫爾電子能帶、探索新奇關聯物態開辟了全新的研究范式。相關成果以“Pressure-Driven Moiré Potential Enhancement and Tertiary Gap Opening in Graphene/h-BN Heterostructure”為題，于7月24日在線發表在國際物理學權威期刊《物理評論快報》上，并被選為“編輯推薦”文章（Editors' Suggestion）。

　　圖：高壓下石墨烯/六方氮化硼莫爾超晶格的量子輸運性質與能帶結構演化

　　莫爾超晶格為構筑和調控關聯量子物態提供了理想的平臺。傳統上，科學家主要通過改變轉角來調節莫爾周期性，但器件制備完成后轉角便固定下來，難以實現動態調控。靜水壓作為一種“潔凈”的原位調控手段，可以在不改變莫爾周期的情況下連續調節層間耦合，從而有效調控莫爾能帶結構。然而，此前的相關量子輸運研究受限于技術瓶頸，壓力通常無法超過3 GPa，遠未達到探索莫爾體系豐富物理現象所需的壓力區間。為突破這一限制，該團隊開發了創新的金剛石對頂砧（DAC）高壓量子輸運測量技術，實現了在高9GPa的極端壓力下對莫爾器件的高精度測量。該工作是團隊在高壓下二維器件物性研究方面的又一重要成果，此前他們已成功將金剛石NV色心技術與DAC相結合，實現了高壓下石墨烯器件中電流密度的高分辨成像（Nano Letters, 2024, 24, 13, 4172–4179），為本研究奠定了基礎。

　　該工作以精準轉角對齊的石墨烯/h-BN異質結為研究對象。實驗發現，隨著壓力增大，器件的主能隙（primary gap）增大了近一倍，同時第一莫爾價帶的帶寬被顯著壓窄，表明壓力有效增強了莫爾勢的強度。當壓力超過6.4GPa時，研究人員首次在實驗上觀測到了一個在常壓下不存在的三級能隙（tertiary gap）。理論計算也完美復現了實驗結果，并揭示了該能隙的打開與壓力下增強的原子弛豫效應密切相關。該項工作不僅展示了一種強大的高壓量子輸運實驗平臺，更證明了靜水壓是調控莫爾體系電子能帶結構和電子關聯效應的普適而有效的工具。該技術有望被推廣到轉角雙層石墨烯、過渡金屬硫化物等其他莫爾體系中，從而在一個更廣闊的參數空間內探索和發現非常規超導、拓撲量子態等新奇的關聯與拓撲現象。

　　中國科學技術大學物理學院博士生王宇鵬、安家騏、葉春暉為論文的共同第一作者，物理學院張增明教授、喬振華教授、秦維教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省量子信息技術創新計劃、量子科學與技術創新計劃、深空探測實驗室前沿科學研究計劃等項目的資助。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1103/xs5j-hp3p