二维材料莫尔超晶格的量子调控.pdf
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1、书书书第 卷第 期 年 月 物理实验 ,櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 收稿日期:;修改日期:作者简介:吴彪(),男,江西新余人,中南大学物理与电子学院 级博士研究生,研究方向为莫尔超晶格的扭角电子学 :通信作者:徐富新(),男,湖南邵阳人,中南大学物理与电子学院教授,硕士,研究方向为光电检测、虚拟仪器技术、图像处理与机器视觉、智能仪器 :刘艳平(),男,湖南茶陵人,中南大学物理与电子学院教授,博士,研究方向为低维量子材料与器件物理 :文章编号:()二维材料莫尔超晶格的量子调控吴彪,谢兴,郑海红,徐富新,刘艳平,(中南大学 物理
2、与电子学院;极端服役性能精准制造全国重点实验室,湖南 长沙 )摘要:当具有晶格失配或小扭转角的个或多个原子薄层垂直堆叠时,层间的原子排列呈现周期性变化,形成新型的平面图案,即莫尔超晶格莫尔超晶格在范德华异质结中为相关电子态的工程设计提供了通用而强大的平台,从而涌现出大量的莫尔量子现象,例如非常规超导、相关绝缘体态、拓扑相和莫尔激子等近年来,科研人员对扭角石墨烯和扭角过渡金属硫族化物()形成的莫尔超晶格的研究最为广泛本文介绍了扭角石墨烯和莫尔超晶格中的莫尔特性,并讨论了莫尔超晶格实验中发现的新物理现象,如莫尔激子、莫尔声子和相关电子态最后,展望了莫尔超晶格在未来研究方向面临的挑战相信莫尔超晶格的
3、进一步发展可以为强相关系统的量子控制提供新的思路,推动莫尔物理的发展关键词:莫尔超晶格;强关联;平带;莫尔激子;莫尔声子;电子态中图分类号:文献标识码:固体材料由大量微观粒子组成,其物理性质由粒子运动、粒子之间的相互作用等决定这些粒子是复杂的多体系统,不可能完全解析这些粒子的行为为阐述和理解多体粒子的行为,将复杂的多体系统简化成单电子体系 ,即忽略电子与电子之间的相互作用,该近似是有效的,大部分凝聚态物理中的现象都可以用单电子近似理论描述然而,一些材料体系具有很强的电子相互作用,会引起强关联电子现象,比如超导、莫特绝缘体等由于强的电子与电子之间的库仑相互作用,强关联体系电子的运动方程可以用电子
4、动能犜、周期势能犞和电子库仑相互作用犝表示,并且犝远大于犜在能带中,电子的动能犜可由能带宽度犠反映,犜越小,犠越窄且平坦,电子巡游能力越差,表现出电子的局域化因此,能带越平坦,电子之间的关联性越强传统强关联材料的电子关联性由材料本身决定,在实验上对其进行调控相当困难,通常需要在极端高压条件下通过改变晶格常量来实现而莫尔超晶格由于其构成材料的多样性和优异的调控性能,为调节电子相关性的研究提供了丰富的机会本文介绍了扭角石墨烯和扭角过渡金属硫族化物(,)莫尔超晶格中的莫尔特性,并讨论了莫尔超晶格实验中发现的新物理现象,如莫尔激子、莫尔声子和相关电子态最后,展望了莫尔超晶格在未来研究面临的挑战强关联电
5、子体系强关联电子体系是指电子之间的相互作用不可忽略的系统在固态理论中,固体中电子之间的静电相互作用被忽略,不会出现在哈密顿算子中各个电子被认为是独立的,不会相互影响然而,在许多物质中,静电能不容忽略,当这部分能量写入哈密顿量时,可得到强相关的 模型在强关联电子系统中,由于电子之间的强相互作用,出现了许多新奇的物理现象,如高温超导体、锰氧化物材料中的巨磁阻效应、二维电子气中的分数量子霍尔效应、一维导体中的电荷密度波、二维高迁移率材料中的金属绝缘体相变、重费米子体系、量子相变和量子临界现象等,因此,了解强关联电子系统对于未来新材料的设计和应用具有重要意义莫尔超晶格当具有晶格失配或小扭转角的个或者多
6、个原子薄层垂直堆叠时,层间的原子排列呈现周期性变化,形成新型的平面图案,即莫尔超晶格莫尔超晶格在范德华异质结中为相关电子态的工程设计提供了通用而强大的平台,从而涌现出大量的莫尔量子现象,例如非常规超导、相关绝缘体态、拓扑相和莫尔激子等近年来,科研人员对扭角石墨烯和扭角形成的莫尔超晶格的研究最为广泛 莫尔势能的空间周期性可以有效调制电子的能带结构,形成平坦的迷你带 ,为强关联物理和量子调控的研究提供了新的机会最引人注目的是,研究人员发现,当个单层石墨烯以约 的微妙扭曲角度(称为“魔角”)垂直堆叠时,石墨烯莫尔超晶格表现出特殊的超导性能,这是由于层间相互作用完美地抑制了电子能量和动量的线性色散,在
7、“魔角”处形成了平带受石墨烯莫尔超晶格的启发,研究人员在莫尔超晶格中也发现了平带,从而导致强相关的电子相位,然而,扭角双层石墨烯仅在“魔角”处表现出平带行为 ,而扭角双层则具有更宽的角度范围,这使其更容易在实验中实现因此,莫尔超晶格诱导的强相关电子态为探索强相关物理和量子调控提供了理想的平台“魔角”石墨烯自从 年研究人员使用 胶带成功剥离单层石墨烯以来,二维材料领域发展迅速,并被广泛用于实现新型的电子和光电子器件除了将石墨烯与其他晶体材料结合形成异质结构外,还可以通过调整石墨烯层间的旋转角来诱导新的特性 例如,当两单层石墨烯之间的转角变化时,所形成的周期性莫尔超晶格也发生相应的变化,这对石墨烯
8、的能带结构和层间耦合都有显著的影响 年,等人通过理论预测,当扭角双层石墨烯的层间转角约为 时,其能带结构中出现平带然而,由于实验技术的限制和样品制备的困难,研究人员对于“魔角”石墨烯的研究相当有限 年,等人克服了技术难题 ,成功制备出“魔角”石墨烯图()左图为个单层石墨烯以小角度垂直堆叠形成的莫尔超晶格图案(为莫尔波长),右图为莫尔晶胞的形成导致莫尔布里渊区的形成图()显示了“魔角”()石墨烯的能带结构,蓝色的波段出现了平带行为,这表明“魔角”石墨烯形成的莫尔超晶格在 点处断开,形成平坦的带隙,使原本没有关联的石墨烯变得强关联图()和图()分别展示了不同转角的“魔角”石墨烯器件的四探针电阻作为
9、载流子密度狀和温度犜的关系当狀固定在半填充状态的中间时,冷却后,在中间温度()出现相关的绝缘相;在较低的温度下,这种器件都表现出奇特的超导现象“魔角”石墨烯体系中相关绝缘态和超导态的发现 ,开辟了凝聚态物理领域的全新研究方向,引发了堆叠设计莫尔超晶格体系的热潮()石墨烯莫尔超晶格和莫尔布里渊区的示意图()“魔角”石墨烯的能带图物理实验第 卷()扭角双层石墨烯诱发的莫特绝缘态和超导现象()扭角双层石墨烯诱发的莫特绝缘态和超导现象 图“魔角”石墨烯犜犕犇莫尔超晶格 犜犕犇莫尔超晶格的优势相比于石墨烯,莫尔超晶格具有许多优点,因此也受到了广泛的关注首先,莫尔超晶格具有相当大的带隙(),这使其具有热稳
10、定性、光发射和稳健的开关行为其次,材料具有较大的自旋轨道耦合,为拓扑能带工程和自旋谷的光学控制提供了丰富的机会 最后,双层中的平带存在于较宽范围的扭转角度上,而不仅限于离散的“魔角”,这使得其在实验中相对容易实现莫尔超晶格可以调控激子的能级,并通过旋转角连续调控晶格周期,为在纳米尺度上调节实物粒子的量子态提供了平台,莫尔超晶格在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构,具有相当大的带隙,其光学特性主要表现为莫尔激子的束缚电子空穴对类似于单层材料中的激子,原子薄层中库仑屏蔽的减少导致了大的结合能,使得准粒子在室温下稳定,并有望实现各种新颖的光电子器件 犜犕犇莫尔超晶格中的莫尔激子激子是一种准粒子,在库
11、仑相互作用下由电子和空穴结合而成,在材料的光学激发和相关现象中起着至关重要的作用,因此对于新兴光子学和光电子应用的发展具有重要意义 在由范德瓦尔斯材料堆叠形成的莫尔晶体中,通过微小的扭转角变化,可以实现多样相关电子态和光学特性研究表明:莫尔超晶格能够产生周期性莫尔势,在实空间和动量空间中对激子进行调制产生莫尔激子 等人报道了具有小扭转角的 莫尔超晶格 通过光致发光()光谱测量,观察到层间激子的劈裂现象,这是由于莫尔超晶格中的空间周期性莫尔势捕获了层间激子导致的 图()随着层间转角的增加(从 增加到),层间激子劈裂的峰数发生了显著变化,如图()所示,通过高斯拟合获得个()或个()劈裂峰图()的上
12、方展示了莫尔超晶格中的个高对称性点犚犺犺,犚犡犺和犚犕犺的局部原 子 排 列 结 构,并 且 具 有 三 重 旋 转 对 称性,莫尔超晶格具有施加空间变化的光选择规则的作用,因此莫尔超晶格中的激子光选择规则不像单层中具有谷锁定 如图()的下方所示,位于犚犺犺(犚犡犺)点位的激子只能与()偏振光耦合,而位于犚犕犺处的偶极子方向垂直于平面,不 能 与 正 常 入 射 光 有 效 耦 合,因 此 被 禁止,莫尔超晶格中的光学选择规则不仅取决于原子的量子数,还取决于上下原子在实空间中的相对位置图()显示了光学选择规则在莫尔超晶格中不断变化,并且通常呈现椭圆偏振 根据文献,报道,亮层间激子局域在莫尔布里
13、渊区中,犓谷中亮层间激子的光学矩阵元为槡犃犌狘犼狘槡犃狌(狉)犑(狉)狉,()犑(狉)犑(狉)犲犑(狉)犲,()其中,犌 为异质层的半导体基态,为层间激子态,犼是平面内电流算子,犃为系统面积在式()的积分中,狌(狉)为布洛赫波状态 的周期部分,并且犑(狉)捕获了光学矩阵元素在莫尔图样第 期吴彪,等:二维材料莫尔超晶格的量子调控中的位置依赖性在式()中,犲槡(,),犑(狉)表示分量,其空间依赖性为犑(狉)犫狉犫狉,犑(狉)犫狉()犫狉(),其中,为常量,在一般位置,犑(狉)同时具有和分量有个高度对称的位置:在犚犺犺点(狉),犑消失,犑(狉)有纯分量;在犚犡犺位置狉犪槡()狓,犑消失,犑(狉)有纯
14、分量;在犚犕犺点处犑(狉)消失更详细的解释请参考文献,这些局部光学选择规则如图()和图()所示莫尔超晶格的莫尔势深取决于材料的组合以及堆叠顺序根据第一性原理预测,莫尔势深为 在小扭转角的莫尔超晶格中,激子的玻尔半径大于单层的晶格常量,但小于莫尔超晶格的周期激子可以被看作是在缓慢变化的莫尔势场中移动的粒子,并且可以被调制成几乎等距的莫尔激子 如图()所示,使用泵浦激发 样品,收集了共()和交叉()圆偏振光致发光可以清楚地观察到极化率犘的激子峰在正和负之间交替变化,这是由于限制在最深莫尔势中的单个莫尔激子态的不同波形的角动量所致()莫尔超晶格中个高对称性点的局部原子排列结构及其对应在犓谷中层间激子
15、的光选择规则,()莫尔超晶格产生的周期性莫尔势()犓谷中激子的光学选择规则对应空间映射(高对称性点处为圆偏振,其他中间区域为椭圆偏振)()和 的扭角异质结的 光谱()圆偏振 光谱和圆极化率 图莫尔层间激子的光选择规则物理实验第 卷在扭角同质结中也存在莫尔势捕获激子的特征 等人报道了在扭角 同质结中观察到莫尔带电激子 图()为由 同质结形成的莫尔超晶格,莫尔超晶格的周期犪犪 (),其中犪为单层材料的晶格常量,为单层 垂直堆叠的层间转角,图()为莫尔布里渊区的形成,导致在具有小扭转角同质结中形成的新能量子带 图()图()为莫尔超晶格产生的空间周期性莫尔势示意图空间周期性的限制势可以调节材料的电子结
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