研究實現人工籠目超晶格中的色散選擇型能帶調控

近日，中國科學技術大學教授曾長淦、特任副研究員范曉東與武漢大學教授袁聲軍，以及西班牙Imdea Nanociencia研究所教授Francisco Guinea、博士后詹真合作，利用精心設計的人工籠目超晶格勢場，實現了石墨烯中不同色散類型能帶的選擇性調控。8月6日，相關研究結果發表于《物理評論快報》，文章入選編輯推薦。

人工籠目超晶格示意圖。中國科大供圖

能帶結構是決定固體材料電子特性的基礎，如何實現能帶結構的按需設計與調控一直是凝聚態領域不懈追求的目標。二維材料由于具有靈活的柵壓可調性以及易于構筑異質結的屬性，為能帶調控研究注入了新的活力。其中，最典型的例子即在轉角石墨烯體系中，利用層間摩爾勢場成功構筑了無色散平帶，并觀測到了關聯絕緣態、非常規超導、量子反常霍爾效應等。另一方面，利用微納加工方式對二維材料施加周期型柵壓可以構筑“人工電子超晶格”，從而實現類似于摩爾勢場的能帶調控作用。而且，相較于摩爾超晶格，人工電子超晶格的晶格圖案、對稱性以及勢場強度均具有更靈活的可調性，為實現新型能帶調控及物態設計提供了一個新的、更具可控性的研究平臺。

近期，研究團隊精心設計了一種具有籠目晶格形式的人工電子超晶格，實現了石墨烯能帶結構中不同色散類型分量的選擇型調控。經實驗及理論研究發現，在人工籠目勢場作用下，石墨烯能帶中出現了線性色散能帶和無色散平帶等不同類型的能帶分量。平帶分量的電子態局域在超晶格格點處，而線性色散能帶分量的電子態更加彌散，因此平帶分量更容易被人工超晶格結構中的局域柵壓調控。當增強人工勢場強度時，平帶分量的移動速度明顯高于線性色散能帶分量，從而導致了實驗上觀測到的本征狄拉克能帶的抑制以及衛星狄拉克能帶的增強。另一方面，在垂直磁場的作用下，由于磁場勢與超晶格勢的競爭，本征狄拉克能帶重新占據主導作用。

研究人員介紹，該工作提供了一種全新的原位能帶調控手段，并對人工超晶格勢場作用下能帶演化的動力學過程進行了深入的理解。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.066302