科研进展|上科大物质学院刘健鹏课题组、王竹君课题组发现三维摩尔超晶格的新奇物性

      近日，上海科技大学物质科学与技术学院刘健鹏课题组、王竹君课题组在三维摩尔超晶格体系中发现了新奇物性，该合作成果发表于国际物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters, PRL）。

     近年来，扭曲双层石墨烯（Twisted Bilayer Graphene，TBG）因其新奇性质引起了广泛的关注。当TBG的扭曲角接近“魔角”时，TBG能量最低两条能带变得极其扁平，甚至在手性极限下带宽完全为零。正是这些具有类似朗道能级的波函数、拓扑非平庸的平带导致了一系列在魔角TBG中丰富的物理现象，如超导性、关联绝缘体、量子反常霍尔效应、轨道磁态等，这些现象引发了人们对其理论和实验研究的广泛关注。

      但实验中制作TBG样品采用的传统转移和堆叠技术，使得将TBG调节到第一魔角（θ1≈ 1.05°）附近极具挑战性。幸运的是，可以通过堆叠更多转角石墨烯层形成转角多层石墨烯体系，进而得到拓扑平带。额外的层数自由度使得拓扑平带在一定范围的扭曲角度或更大的魔角下能够稳定存在。研究团队由此进一步发问：如果将摩尔超晶格从二维提升到三维，将会产生什么样的新物态和物性？

      本工作首先通过化学气相沉积（CVD）生长的折纸切割方法成功合成了三维摩尔超晶格。这种技术实现了由上万层石墨烯相互交织而成的双螺旋结构，并且成功实现了具有均匀层间转角的交替扭曲结构，即“交替转角石墨烯”（ATG）系统。这种系统展示了周期性的超晶格排列，其结构在中心位错线附近呈现出交替的扭曲图案（图1）。

图 1. 交替转角石墨烯的结构示意图和实验表征

针对ATG的理论研究极为匮乏，因此本项工作对ATG的奇异物性进行了理论探究。研究发现，额外的面外维度赋予了ATG一个额外的面外波矢自由度，用以探索魔角TBG的平带物理（图2）。当扭曲的角度小于2.1°，即TBG第一魔角的两倍，ATG中总存在一个面外“魔波矢”使得对应的二维平面上产生于TBG中相同的拓扑平带。类似的规律可以推广，只要满足扭曲角度小于魔角的两倍，在ATG中便能实现TBG中任一魔角处的拓扑平带。并且，平带的拓扑性质还通过连续改变面外波矢来调控，在ATG中实现外尔半金属态。这一发现不仅大大放宽了实现二维拓扑平带的条件，而且预言了在弱自旋-轨道效应的石墨烯体系中拓扑物态，为平带物理的研究和未来拓扑量子材料的研究提供了新的理论基础。

本工作还进一步探讨了交替转角石墨烯在外加磁场下的行为：当扭曲角度足够大时，交替转角石墨烯的朗道能级呈现出无色散的三维零朗道能级，其简并度比二维朗道能级大N_z倍；这里N_z为面外z方向元胞数量，在热力学极限下N_z趋于无穷。这是首次在真实材料体系中能够得到无色散的三维朗道能级（图3）。当该三维零朗道能级被完全填满时，体系将展现出三维量子霍尔效应；而当该三维朗道能级被部分填充时，在朗道能级波函数的拓扑性质和强电子间库伦相互作用的驱动下，该体系可能展现出全新的关联物态，比如三维量子霍尔铁磁性、三维分数量子霍尔效应、三维魏格纳晶体等。本工作为之后在ATG体系中对奇异物态的进一步探索提供了理论基础。