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莫尔石墨烯超晶格体系研究取得新进展
发布时间: 2022-11-28
基本信息
合作方式：
技术服务
成果类型：
新技术
行业领域：
新材料技术
成果介绍
中科院金属所杨腾课题组基于天河系列超级计算机对复杂莫尔势影响石墨烯中的电子特性以及理解实验中观测到的新奇的物理性质展开研究。研究了一种石墨烯摩尔超晶格体系中，当摩尔超晶格中电子填充数目为-5、-6、-7时，实验上观测到了跟转角石墨烯体系类似的关联绝缘态。课题组从理论上解释了这些关联绝缘态的形成机制，指出该体系正是得益于谷间相干态的辅助才打开了能隙，该项工作为石墨烯摩尔异质结体系的关联物态研究提供了重要指导作用。研究多层转角石墨烯的电子结构，对发掘和理解魔角在石墨烯转角体系中的一般性和内在规律，具有重要的意义。成果以“Correlated states in doubly-aligned hBN/graphene/hBN heterostructures”为题，分别发表于国际知名期刊《*** & Technology》和《Nature Communications》。
成果亮点
多层转角石墨烯的魔角来源及平带拓扑性质的理论研究
通过构造适用于多层转角石墨烯的有效连续模型，课题组计算获取了该体系的能带结构，并发现体系中存在平带及魔角。对有效连续模型进行数学变换，得到赝朗道能级表象下体系的哈密顿量。赝朗道能级表象可以很好地解释多层转角石墨烯体系中魔角的来源。从赝朗道能级表象的哈密顿量出发，进一步发现，转角石墨烯的平带具有拓扑性。通过调控层间转角和面外电场，可以有效地调控多层转角石墨烯中平带的拓扑陈数。该研究发掘了多层转角石墨烯体系进行新型量子器件应用的巨大潜力。
h-BN/石墨烯/h-BN体系的分形朗道能谱和关联绝缘态
在能带宽度较小的时候，电子间的库仑相互作用会相对增强，需要进一步引入强关联作用。此时体系的对称性降低，电子填充数在非4倍整数（如-5n0、-6n0、-7n0）时，能带出现退简并，打开新能隙，出现关联绝缘态（如图4）。结合单粒子图像与强关联相互作用的结果，实验在非4倍整数填充处观测到的电导极小值（如图5，对应分形朗道能谱）可以理解为双莫尔弱相互作用势导致的强关联带隙。该研究也是首次观测到二维双moiré超晶格中弱作用下的电子关联现象。
团队介绍
研究工作获得国家重点研发计划（2017YFA0206301），国家自然科学基金(52031014)资助，其中理论计算得到了国家超级计算天津中心（天津超算中心）的大力支持。
天津超算中心已服务全国超30个省级行政区的8000余家重点用户，涉及航空航天、生物医药、高端装备、汽车、气候海洋、新材料、新能源等诸多领域，形成“算天、算地、算人、大科学、大工程”的“计算驱动创新”服务模式，并打造了涵盖40家战略合作机构、20家产业联盟、18家联合实验室、10余家分中心、1个专业化服务团队的产学研融合创新体系，聚集了百余家生态伙伴，累计支持国家重大项目4000余项，取得国家级、省部级奖励成果和包括Nature、Science在内出版成果超过3600项，为企业新增经济效益超过160亿元，全面支撑科技创新和产业发展。
成果资料
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