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低维材料的新奇物性(II) 《物理学报》专题

已有 1052 次阅读 2022-9-27 21:29 |系统分类:论文交流



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编 者 按


纵观历史,人类对材料的认知不断推动着社会的进步和发展,这方面在过去一个多世纪对材料电学性质的研究上体现得尤为显著。我们可以将材料粗略地分为金属、半导体、绝缘体,也可以分为超导、非超导、磁性、非磁性等。不难发现,所有这些性质都源于同一种微观粒子:电子。 随着研究的深入,科学家们开始期待在一种材料中能实现以上多种甚至所有可能的电子态。 最近,以二维体系为代表的低维体系研究向我们展示了实现这一愿景的可能性。 在低维体系中,维度的降低导致体系对载流子浓度、介电环境、压强、应力、电场、磁场等非常敏感。因此,我们可以在一个极其宽广的多参数空间对其结构和物性进行精细调控,进而实现一系列新奇量子物态。例如在魔角双层石墨烯中就可实现金属/关联绝缘态,非超导/超导,非磁性/磁性,甚至量子反常霍尔效应等多种新奇物态。一方面,基于低维体系的这些研究极大地推进了人们对凝聚态物理中各种新奇量子物态、相变以及准粒子关联等问题的深入理解;另一方面,低维体系高度可调的特点也为其在未来的应用提供更广阔的空间。 值得一提的是,低维材料的一个显著优势是其新奇物态都直接暴露在材料表面,这为直接观测这些量子物态提供了一个前所未有的机会。最近,科学家们利用扫描隧道显微镜成功地实现了对石墨烯中的量子霍尔铁磁态、双层石墨烯畴界的谷极化导电通道、拓扑绝缘体中的拓扑边界态的直接观测。相关研究可以更好地帮助我们深入理解这些新奇量子物态并澄清其微观物理机制。


低维材料体系涵盖了超导、拓扑、磁学、铁电等几乎所有凝聚态物理中重要的研究课题,对其新奇物性的深入理解和精准调控可以为后期电子器件的构筑打下坚实的基础。在过去几十年里,大量的科研工作者们在该领域持续深耕,不断发现丰富有趣的物理现象,并深入理解其物理机制,发展多种手段实现了对这些新奇量子物态的调控。尤其是在近十年间,这一领域的发展以及取得的成果格外令人瞩目,国内很多优秀科研团队极大地推进了低维材料的物性研究,做出了突出的成绩。我们相信,这些成果不但在基础研究上具有重要的学术价值,也为未来技术发展和进步打下了坚实的基础。正因为如此,为了让读者了解低维材料新奇物性的最新研究成果,本专题特别邀请了部分在低维物性领域活跃的专家学者,从低维材料的制备、结构/能带表征与调控、光学特性、量子受限效应、电荷密度波、磁性、超导、关联电子态等诸方面,以不同的视角介绍本领域的背景、最新进展并展望相关领域未来的发展方向,希望对感兴趣的读者及相关领域的工作人员提供一定的参考及借鉴。


客座编辑

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何林,2009年在北京大学获得博士学位,之后在北京师范大学工作,现为教授,博士生导师。研究领域为凝聚态物理,共发表了150余篇SCI论文,其中作为通信作者发表了12篇PRL、4篇Nature Commun.和近60篇PRB等。专注于在石墨烯中构建、探测并调控一系列新奇量子物态,完成的主要工作包括:1)石墨烯中平带的实现及其新奇关联物态的探测与调控;2)基于石墨烯中电子多自由度的新奇量子物态的探测与调控。相关工作被引用超过五千次,部分成果入选本领域重要教材。


专题文章


石墨烯莫尔超晶格的晶格弛豫与衬底效应

詹真,张亚磊,袁声军

物理学报.2022,71 (18): 187302.

doi: 10.7498/aps.71.20220872

原文链接    PDF


摘要:当两个晶格常数不同或具有相对转角的二维材料叠加在一起时,可形成莫尔超晶格结构,其电学性质对层间堆垛方式、旋转角度和衬底具有很强的依赖性。例如,双层石墨烯的旋转角度减小到一系列特定的值(魔角)时,体系的费米面附近出现平带,电子-电子相互作用显著增强,出现莫特绝缘体和非常规超导量子物态。对于具有长周期性的莫尔超晶格体系,层间相互作用所引起的晶格弛豫会使原子偏离其平衡位置而发生重构。本文主要围绕晶格自发弛豫和衬底对石墨烯莫尔超晶格物性的影响展开综述。从理论和实验的角度出发,阐述旋转双层石墨烯、旋转三层石墨烯、以及石墨烯与六方氮化硼堆垛异质结等体系中自发弛豫对其能带结构和物理性质的影响。最后,对二维莫尔超晶格体系的研究现状进行总结和展望。


二维范德瓦耳斯材料的超导物性研究及性能调控

黄佳贝,廉富镯,汪致远,孙世涛,李明,张棣,蔡晓凡,马国栋,麦志洪,Andy Shen,王雷,于葛亮

物理学报.2022,71 (18): 187401. 

doi: 10.7498/aps.71.20220638

原文链接    PDF

摘要:超导现象自从1911年被发现以来一直是凝聚态物理领域的热门研究方向。近年来,二维范德瓦耳斯材料在超导领域中备受瞩目,展现出多种新的物理现象,如伊辛超导体、拓扑超导等,可以为探索丰富多彩的物理效应和新奇物理现象提供一个非常广阔的研究平台。本文从二维范德瓦耳斯材料的超导特性入手,着重论述了二维范德瓦耳斯材料的分类、合成方法、表征和调控手段等方面。最后指出了一些当前需要解决的问题,并对二维范德瓦耳斯材料在超导领域的未来前景进行了展望。


低维石墨烯体系中的离域磁性

郑玉强,王世勇

物理学报.2022,71 (18): 188101. 

doi: 10.7498/aps.71.20220895

原文链接    PDF


摘要:由于量子效应,低维石墨烯体系中具有离域的p壳层磁性,其性质迥异于局域的d/f壳层电子。该离域特性使精准调控纳米石墨烯的磁基态和磁交换作用变得有可能,有望精准构筑高质量的磁性石墨烯量子材料。近年来,由于表面化学和表面物理的深度结合,在单原子精度下研究纳米石墨烯的磁性变为可能,打开了一个研究有机量子磁体的新方向。本综述首先概述纳米石墨烯磁性的发展过程和研究现状,然后讨论纳米石墨烯中磁性的产生机制,接着回顾近年来实验的研究进展,最后对低维磁性石墨烯未来发展可能遇到的挑战与机遇进行展望。


InSb(111)衬底上外延生长二维拓扑绝缘体锡烯/铋烯的差异性研究

郑晓虎,张建峰,杜瑞瑞

物理学报.2022,71 (18): 186401. 

doi: 10.7498/aps.71.20221024

原文链接    PDF


摘要:近些年,人们对拓扑材料体系的认知得到了飞速发展。随着量子信息科学与技术成为当下科学研究的热点,具有大能隙高稳定性的低维拓扑材料有从基础研究向应用探索的趋势发展。如何实现高质量、大面积的单晶生长是影响拓扑材料走向实用化的重要一步。本文报道了在具有Sb原子终止面的InSb(111)衬底上利用分子束外延技术生长低维拓扑绝缘体锡烯与铋烯的实验结果。实验中发现,无论是锡烯还是铋烯,起始外延阶段都会在衬底上形成单层的浸润层。由于锡原子之间的相互作用远强于其与衬底的表面结合力,因此浸润层呈岛状生长,晶畴岛与岛合并的过程中边界效应明显,导致薄膜实际上由大量小晶畴拼接而成,畴壁处的缺陷难以避免。而浸润层的晶体学质量又限制了后续锡烯薄膜的外延行为,因此实验发现难以实现高质量且层数准确可控的单晶锡烯薄膜生长。而铋原子与衬底表面的结合能强于原子之间的相互作用,能够在较高温度下实现浸润层的单层层状生长,高质量的浸润层为后续铋烯的生长提供了良好的外延过渡层,因此发现实验中更容易得到大面积的铋烯薄膜。本文实验结果及相关理解对于利用半导体衬底生长低维拓扑晶体薄膜具有指导意义。


双层石墨烯中的偶数分母分数量子霍尔态

李庆鑫,黄焱,陈以威,朱雨剑,朱旺,宋珺威,安冬冬,甘祺康,王开元,王浩林,麦志洪,Andy Shen,郗传英,张警蕾,于葛亮,王雷

物理学报.2022,71 (18): 187202. 

doi: 10.7498/aps.71.20220905

原文链接    PDF


摘要:在半填充的朗道能级,复合费米子手征p波配对的Moore-Read态具有e/4的分数激发,其中部分这种准粒子服从非阿贝尔统计,有望用于实现拓扑量子计算。双层石墨烯由于其电子的SU(4)对称性和电场对其性质的方便调控性,成为研究多分量量子霍尔态的理想平台,是实现非阿贝尔统计的候选者。本文利用干法转移技术制备了双层石墨烯/氮化硼异质结,通过电学输运测量展示了双层石墨烯在调节外电场和磁场下的量子霍尔态行为。在强磁场下,观测到了朗道能级填充因子为–5/2,–1/2,3/2的伴随着量子化霍尔电导的不可压缩态。随着磁场继续增强,这些偶数分母量子霍尔态特征先增强再减弱,对应朗道能级波函数的极化。实验结果暗示观察到的这些偶数分母分数量子霍尔态属于由Pffafian波函数描述的拓扑态。


专题文章网站链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/topics

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