二维材料物理研究进展导读|2022年5月

京师物理 2022-06-23 23:23






关联电子物态的表面探测






石墨烯中可调量子霍尔对称性破缺序的可视化

当电子聚集在平带中时,它们之间的动能变得可以忽略不计,形成了很多奇特的多体态,从而最小化了它们之间的库仑能。石墨烯在磁场下的零朗道能级是一个特别有趣的强相互作用平带,因为电子间相互作用被预测会诱导出丰富的具有不同拓扑和晶格级的对称性破缺态,这些态的证据主要来自间接的输运实验,其实验表明,对称性破缺态可以通过提高塞曼能或通过库仑相互作用的介电屏蔽来调节。然而,确认这些基态的存在需要对它们晶格尺度的电荷序进行直接可视化。在这里,我们使用扫描隧道谱成像石墨烯中三个不同的对称性破缺态。我们通过调节介电常数和磁场下库仑相互作用来探索其相图。在未屏蔽的情况下发现了Kekulé序,与观察到的通过磁场驱动的Kosterlitz-Thouless相变的绝缘态一致。屏蔽作用下,低磁场下出现子格非极化基态,高磁场下转变为具有部分子格极化的电荷密度波序。Kekulé和电荷密度波序与额外的次级晶格序共存,丰富了相图且超出了目前的理论预测。这种屏蔽诱导的对称性破缺序的可调性可进一步揭示其他量子材料中的关联相。

(刘亦文)

Imaging tunable quantum Hall broken-symmetry orders in graphene

Alexis Coissard et al.

Nature 605, 51–56 (2022)

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04513-7





少层锡烯中稳定的边界态与超导性的共存

高质量的锡烯薄膜不仅可以实现无背散射的量子自旋霍尔边界态,还可以实现本征超导性,这两个核心因素可以进一步赋予体系拓扑超导性。然而迄今为止,由于难以生长高质量的锡烯薄膜,仍缺乏令人信服的拓扑边界态的证据,更不用说这两种性质的共存。在此,我们在Bi(111)衬底上制备了一到五层锡烯薄膜,并利用扫描隧道显微镜/光谱技术探测了其稳定的边界态,以及不同层数锡烯薄膜的超导能隙。第一性原理计算表明,氢钝化作为表面活性剂在提高锡烯薄膜的质量方面起着决定性的作用,而Bi衬底赋予了薄膜非平庸拓扑性。非平庸拓扑和固有超导的共存使该体系有望成为基于单元素的最简单的拓扑超导体。

任雅宁)

Coexistence of Robust Edge States and Superconductivity in Few-Layer Stanene

Chenxiao Zhao et al.

Phys. Rev. Lett. 128, 206802 (2022).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.206802





二维莫尔晶格中的一维Luttinger液体

一维(1D)电子系统中的Luttinger液体(LL)模型为理解强关联物理提供了一个强有力的工具,包括自旋-电荷分离等现象。大量的理论研究试图将LL现象扩展到二维,特别是在紧密排列的一维量子线的模型中,每一个都被描述为一个LL。这种耦合的线性模型已成功地用于构造二维(2D)各向异性非费米液体,量子霍尔态和量子自旋液体。然而,目前仍然没有适用于实现这些高质量一维阵列模型的实验证据。在这里,我们报告了在双层转角二碲化钨(tWTe2)所构成的莫尔超晶格中,通过实验实现的具有晶体质量的一维LLs2D阵列。tWTe2的莫尔图案起源于各向异性的晶格,拥有相同的、平行的一维电子通道,它们之间有固定的纳米级距离,并可通过改变层间转角来对其进行调节。在大约5度的转角下,我们发现空穴掺杂的tWTe2在平面内两个正交的方向上表现出了异常大的输运各向异性,电阻比约为1000。跨线电导呈现出幂指数关系的标度行为,与二维各向异性相的形成一致,类似于LLs阵列的性质。我们的结果为实现基于耦合线性模型和LL物理的多种关联和拓扑的量子物相打开了大门。

(周啸峰)

One-dimensional Luttinger liquids in a two-dimensional moiré lattice

Pengjie Wang. et al.

Nature 605, 57–62 (2022)

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04514-6







二维材料光学响应






双层转角石墨烯中手性及慢速等离激元的观测

莫尔超晶格中存在很多奇异的电子特性,如超导和小转角双层石墨烯中的强相关态。最近,这些发现激发了人们对莫尔等离子体激元特性的研究。虽然近场纳米成像技术已经研究了等离子体在双层转角石墨烯上的传播,但这些等离子体的一般电磁特性仍旧是未知的。本文报道了在高度有序莫尔超晶格中直接观测到的两个新的等离子体模。利用双层转角石墨烯纳米带,识别了手性等离子体激元的特征,这是由于光泵浦下电子气体的未补偿的贝里通量引起的。这些手性等离子体激元表现为对光强和电子填充的依赖,以及与最大贝里通量光谱相一致的共振峰劈裂和法拉第旋转。此外,我们还发现了一个0.4电子伏特左右的慢等离子体模,这源于晶格弛豫结构子带之间的带间跃迁。这种模式能为在中波红外光谱窗口内发现强光与物质的相互作用提供机会。我们的研究结果揭示了小角度转角石墨烯的新电磁动力学特性,证明了它是一个独特的量子光学平台。
(刘亦文)
Observation of chiral and slow plasmons in twisted bilayer graphene
Huang, T. et al.
Nature 605, 63–68 (2022)
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04520-8




中性激子的电可调量子受限

将粒子运动范围限制在其德布罗意波长以内时,可以使它们的运动状态离散化。这一基本效应在许多物理系统中都能观察到,包括从受限在原子或者量子点中的电子,到受限在光学镊子中的超冷原子等等。在固态光子学中,长期以来的一个目标是实现对光学活性电子-空穴对(即激子)的完全可调的量子受限。为了使激子受限,现有的方法主要依靠对材料的调制,但这种方法对受限势的能量和位置控制的不好。这严重阻碍了大规模量子光子系统的工程设计。在这里,我们演示了中性激子在二维半导体中的电控的量子受限行为。在一个横向的p-i-n结中,通过结合栅压界定的面内电场以及激子与自由电荷之间的内在相互作用,我们实现了在小于10nm尺度下激子的受限。激子运动的量子化在测量的光学响应中表现为连续系统中一系列离散的电压依赖的状态。此外,我们还观察到我们的受限势会导致激子的相对波函数被强修正。我们的技术为创建可扩展的,相同的单光子源阵列提供了新的实验途径,并对实现强关联的光子相以及芯片上的光学量子信息处理器具有广泛的影响。
(周啸峰)
Electrically tunable quantum confinement of neutral excitons
Deepankur Thureja. et al.
Nature 606, 298–304 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04634-z






谷电子的探测与调控






利用范德华磁体电调控单层WSe2中的谷极化

过渡金属二硫族化合物中谷自由度的电操纵是发展谷电子学的核心。为此大家利用Ga(Mn) As和镍铁导磁合金等铁磁接触向过渡金属二硫族化合物中注入自旋极化载流子,实现谷依赖的极化特性。然而,这些材料要么需要很高的外磁场,要么需要复杂的外延生长步骤,限制了它们的实际应用。本文报道了基于单层WSe2Fe3GeTe2/六方氮化硼铁磁隧穿接触的范德华异质结,在附加偏压下可以有效地向WSe2中注入自旋极化空穴,导致±K之间的电荷密度失衡,并且这些结果被密度泛函理论计算和手性依赖的电致发光测量所证实。在外加磁场下,我们观察到Fe3GeTe2的电致发光手性符号翻转,并显示出与反射磁圆二色性表征得到的磁滞回线一致的磁滞回线。

(刘亦文)

Electric control of valley polarization in monolayer WSeusing a van der Waals magnet

Li, JX. et al. 

Nat. Nanotechnol. (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01115-2





利用贝里曲率偶极子探测莫尔超晶格中的拓扑转变

电子波函数的拓扑性质,包括贝里曲率和陈数,在决定材料的物理性质方面起着至关重要的作用。尽管已经研究了贝里曲率及其对材料的影响,但探测陈数的变化仍然是具有挑战性的,尤其是谷陈的变化。在这方面,双层-双层转角石墨烯已然成为一个很有前途的研究平台,它可以对贝里曲率和拓扑平带的谷陈数进行电学调控。此外,应变引起的三重旋转对称性破缺,会导致非零的贝里曲率一阶矩(称为贝里曲率偶极子)。这里,我们证明了贝里曲率偶极子的符号变化,可以反映能带中的拓扑转变。在双层-双层转角石墨烯中,垂直电场可以同时调控谷陈数和贝里曲率偶极子,提供了一个可调体系来探测拓扑转变。此外,在输运响应中,我们发现了电极化切换引起的滞后现象。这为下一代基于贝里曲率的存储器件带来了希望。该项技术可以在三维拓扑体系中得到应用,以探测由压力或各向异性应变等参数引起的拓扑转变。

(任雅宁)

Berry curvature dipole senses topological transition in a moiré superlattice

Subhajit Sinha et al.

Nat. Phys. (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01606-y





通过调控贝里相位在双层石墨烯量子点中实现连续可调的谷极化量子能谱

贝里相位在决定量子体系的物理性质方面起着非常重要的作用。然而,由于贝里相位通常认为是一个常数,因此利用贝里相位对量子能谱进行调控是比较少见的。这里,我们报道了在伯纳尔堆垛的双层石墨烯量子点中,利用连续可调的贝里相位实现了不同寻常的谷极化能谱。在我们的实验中,通过改变垂直磁场,量子点中电子轨道态的贝里相位从π连续变化。当贝里相位等于π时,两个不等价能谷中的电子态是能量简并的。而当贝里相位不是π的整数倍时,就实现了大的、连续可调的谷极化能谱。我们的结果揭示了贝里相位在能谷电子学中的重要作用,在1T磁场下,谷劈裂可以达到10 meV量级,比自旋塞曼劈裂大100倍,揭示了基于石墨烯的能谷电子学。

(任雅宁)

Realizing Valley-Polarized Energy Spectra in Bilayer Graphene Quantum Dots via Continuously Tunable Berry Phases

Ya-Ning Ren et al.

Phys. Rev. Lett. 128, 206805 (2022).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.206805







二维磁性半导体的输运特性






二维磁性半导体中磁序与电荷输运的耦合

半导体,以可调的电子传输为特色,磁体,以可调的自旋结构为特色,构成了许多信息技术的基础。长期以来,人们一直面临着一个挑战,即如何将这两种截然不同的特性整合起来。二维材料为实现这一概念提供了平台,但已知的二维磁性半导体在其磁性相中是电绝缘的。这里我们展示了二维半导体CrSBr的磁性相中可调的电输运,并揭示了其磁序和电荷输运之间的强耦合。这为通过磁输运表征CrSBr层相关的磁序提供了一个机会。利用磁电阻对磁序的敏感性,我们揭示了由载流子和磁缺陷之间耦合出现的其他区间的特征。通过使用静电栅极来改变载流子浓度,可以动态和可逆地调节该区域的磁电阻,证明了一种控制二维磁体中电荷传输的其他机制。

(刘亦文)

Coupling between magnetic order and charge transport in a two-dimensional magnetic semiconductor

Evan J. Telford et al.

Nat. Mater. (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01245-x







新型二维铁电材料






过渡金属二硫族化合物双层无转角异质结的铁电性

具有面外(OOP)铁电和压电特性的二维材料是实现超薄铁电和压电电子器件的理想材料。我们在通过化学气相沉积一步法制备的外延生长的无转角相称的MoS2/WS2双层异质结中,证明了意想不到的OOP铁电和压电性。我们得到的d33压电常数为1.95-2.09皮米每伏特,比单层In2Se3本身的OOP压电常数大6倍。通过改变MoS2/WS2异质结的极化状态,我们实现了铁电隧道结器件中隧穿电流的约三个数量级跨度的调制。我们的结果与密度泛函理论是一致的,它表明对称性破缺和层间滑动,都对这一不需要引入转角和莫尔畴界的,意想不到的性质做出了贡献。

(周啸峰)

Ferroelectricity in untwisted heterobilayers of transition metal dichalcogenides

Lukas Rogée. et al.

Science 376, 973-978 (2022)

https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abm5734




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