上科大物質學院劉健鵬課題組在摩爾石墨烯體系的關聯物態和非線性光學響應方面取得重要進展
發布時間：
2022-07-18
近日，上?？萍即髮W物質學院劉健鵬課題組在轉角雙層石墨烯摩爾超晶格體系中的關聯絕緣態、密度波態和非線性光學響應等方面取得重要進展，相關成果發表于物理學科知名期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
二維材料的發展始于石墨烯——這一蜂窩狀六角晶格的單層碳原子材料，其單層呈現出半金屬的電子性質。當兩層石墨烯堆疊在一起，并互相扭轉一個“魔角”角度（1.05度附近）時，體系就會出現由轉角產生的摩爾條紋的超胞（圖1a），與此同時層間耦合效應會導致拓撲非平庸平帶的產生（圖1b）。強庫侖相互作用和非平庸能帶拓撲在這個體系中的交互作用，使得魔角雙層石墨烯體系呈現出關聯絕緣態、軌道磁性和非常規超導性等多種新奇物理效應。國際上近期已有團隊在整數填充上觀測到零陳數的“無特征”的關聯絕緣態，在分數填充上也觀測到了“無特征”的密度波態、軌道陳絕緣體態、以及分數量子霍爾態等新奇物態。然而，這些關聯拓撲物態的本質和有效的實驗探測方案還有待進一步理論研究。
劉健鵬組利用連續模型、約束無規相近似、非約束平均場計算、非線性響應理論等理論計算方法，系統研究了魔角雙層石墨烯體系平帶在整數填充和分數填充下的關聯絕緣態和密度波態的新奇物性。理論計算發現，高能子空間的庫倫勢能會在平帶中引入粒子空穴非對稱性，并顯著增強平帶色散（圖2a）。該工作中，研究人員還發展了約束無規相近似的方法，考慮了來自于高能子空間的虛擬粒子-空穴激發對低能子空間電子間庫倫作用的屏蔽效應（圖2b），進而可以更準確地處理低能子空間的庫倫相互作用效應。在保持摩爾晶格平移對稱性的前提下，計算得出的在整數填充下的相互作用單粒子激發譜（圖2c）體現出很強的粒子空穴對稱性的破壞。這很好地解釋了該體系在掃描隧道譜和逆壓縮率(inverse compressibility)測量中所展現出的一系列級聯轉變(cascade transition)現象。
研究發現，實驗上在個別整數填充上發現的零陳數態，是電荷分布自發破壞三重旋轉對稱性的密度波相（圖3a），并具有很強的谷極化特征。進一步研究了幾個分數填充下的軌道陳絕緣態和密度波態，可發現其呈現出谷間相干態或谷自旋極化態，這些計算結果均符合實驗觀測。此外，由于零陳數的“無特征”關聯絕緣態在通常的輸運或光學實驗中無法體現出任何特殊信號，研究人員還采用對稱性分析和非線性響應理論論證方法，分析了該體系所有可能的自發對稱性破缺態所對應的非線性光學響應，并發現多數零陳數的“無特征”絕緣態由于其谷極化性質，會呈現出顯著的非線性光學信號（圖3b）。
本研究闡明了魔角雙層石墨烯體系平帶在若干整數填充和分數填充下關聯絕緣態和密度波態的本質，創新性地提出了通過非線性光學響應探測這些關聯物態新奇性質的實驗方案，將促進摩爾二維材料體系非線性光學性質的進一步理論與實驗研究。該論文題為“Correlated Insulators, Density Wave States, and Their Nonlinear Optical Response in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene”。上?？萍即髮W物質學院劉健鵬課題組博士后張世豪為第一作者，博士后呂昕為共同作者，劉健鵬教授為通訊作者。上?？萍即髮W為第一完成單位和通訊單位。這項工作受到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、和上?？萍即髮W啟動經費的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.247402
信息來源：公眾號【上科大物質學院】
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