石墨烯,Nature!

DT半导体材料 2025-02-05 18:52

近年来,二维材料因其独特的物理性质和在纳米电子学、量子计算、光电子学等领域的广泛应用而受到广泛关注。特别是,扭曲双层-三层石墨烯结构通过莫尔效应展现了丰富的电子性质,成为研究的热点。与传统的单层石墨烯相比,莫尔扭曲结构表现出更加丰富的电子相互作用和拓扑性质。

然而,尽管这些材料具有潜在的应用前景,如量子计算和自旋电子学,它们的电子结构、拓扑特性以及相互作用机制仍然存在许多未解之谜。因此,探索其物理机制和优化电子性能,成为了当前科学界的重要挑战。

   成果简介
有鉴于此,华盛顿大学 Yankowitz 以及不列颠哥伦比亚大学Joshua Folk团队合作在Nature期刊上发表了题为“Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene”的最新论文。
该团队设计了一个双门控的扭曲双层-三层石墨烯设备,并在此基础上研究了拓扑电子晶体(TEC)现象。通过利用莫尔潜力,团队成功观察到在ν=1/4填充下,石墨烯电子系统自发形成了一个拓扑电子晶体。该晶体的形成使得单位格面积扩大了四倍,并与整数量子反常霍尔效应相对应。进一步的实验结果表明,TEC状态的Chern数(C)对外加电场和磁场表现出高度可调性,能够在+1和-1之间可逆切换。

研究还发现,在适度的磁场下,来自ν=1/3、1/2、2/3和3/2的其他拓扑电子晶体也显现出,进一步证明了拓扑电子晶体在该系统中的多样性和可调性。通过该研究,团队不仅揭示了电子相互作用对电子结构的深刻影响,也为未来发现更多由相互作用驱动的拓扑现象提供了新的研究路径和理论依据。




   研究亮点


(1)实验首次在扭曲双层-三层石墨烯中观察到了一种拓扑电子晶体(TEC),该晶体的形成由莫尔势驱动,并且在ν=1/4的带填充下,单元格面积被四倍化,表现出整数量子反常霍尔效应(QAHE)。该状态的Chern数(拓扑不变量)表现出异常的可调性,可通过电场和磁场在+1和-1之间可逆地切换。

(2)实验通过Hartree-Fock计算和单粒子带结构计算,进一步确认了在ν=1/4的填充下,晶体的形成导致莫尔单位格的四倍增大,并与带填充的变化相对应。计算结果表明,原始带的Berry曲率和Chern数在晶体形成后发生显著变化,突显了晶体化过程中带的重塑。

(3)实验还显示,在不同的磁场条件下,多个其他拓扑电子晶体也在不同的带填充(如ν=1/3、1/2、2/3、3/2)中形成。这些拓扑晶体的出现展示了在较弱磁场下,也能驱动类似的拓扑现象。


   总结展望


本研究揭示了在扭曲双层-三层石墨烯中,通过时间反演对称性和离散平移对称性破缺驱动形成的拓扑电子晶体(TEC)状态的普遍性,特别是ν=1/4状态的稳健性。这为探索其他具有类似性质的材料体系提供了新思路。其次,研究表明,通过调控电场和磁场,TEC的Chern数具有可调性,展示了拓扑态的可逆切换特性,这为量子计算和量子传输等领域的应用提供了可能的实现路径。此外,文章还指出了分数量子反常霍尔效应(QAH)状态的潜在出现,提示了拓扑电子晶体与分数QAH效应之间的关系,可能催生新的准粒子和量子交换统计。未来,利用扫描探针技术直接观察电子晶体的几何结构,以及基于复杂器件几何形状的实验,可能进一步拓展这一领域的应用,尤其是在量子计算和量子信息处理中具有广泛的应用前景。



   2025(第五届)碳基半导体材料与器件产业发展论坛

2025(第五届)碳基半导体材料与器件产业发展论坛(CarbonSemi 2025)将在2025年4月10-12日于宁波召开。

碳基半导体(包括金刚石、碳化硅、石墨烯和碳纳米管等)因其超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性等卓越的特性,正在成为解决传统硅基半导体材料逐渐逼近物理极限问题的关键途径。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽车等迅猛发展的新兴产业领域表现出广阔的应用前景。尤其是在当前不确定的国际局势和贸易环境背景下,碳基半导体战略意义凸显,成为多国布局的重要赛道。

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为此,由DT新材料将举办的第五届碳基半导体材料与器件产业发展论坛“创新·融合(金刚石&“金刚石+”)”为主题将围绕金刚石以及“金刚石+”半导体的生长、精密加工、键合、器件制造、高效热管理应用等环节中的关键技术和设备,搭建一个汇聚顶尖专家学者、企业家和产业界人士的高水平交流平台,分享与探讨碳基半导体产业趋势、创新成果和应用需求,推动碳基半导体产业上下游合作,助力产业链高质量发展。


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