近日，湖南大学物理与微电子科学学院殷隆晶教授和秦志辉教授在菱方多层石墨烯中发现了液氮温区下随层数演化的电子关联效应。

具有低能平带电子结构的材料体系是凝聚态物理的前沿研究重点。这类体系由于具有很强的电子-电子相互作用，可以产生超导、铁磁、分数量子霍尔效应等新奇的强关联量子态，是研究凝聚态物质基本规律的重要体系，同时在未来新型量子器件等领域有着重要的潜在应用价值。菱方堆垛的石墨烯层由于具有天然的低能平带结构，被预言是一个十分理想的研究强关联物理的平台。然而，由于结构构筑的困难性，目前对菱方多层石墨烯的实验研究非常有限，尤其是关于其随层数增加而产生的关联效应演变依旧未知。

菱方多层石墨烯结构和样品测量示意图，以及其形貌和平带电子结构的表征。

菱方多层石墨烯77K温度下，电子关联态的谱学探测及其随层数的演化。

为此，殷隆晶教授、秦志辉教授，与河北师范大学王文晓副教授合作，基于长期发展的菱方石墨烯高效转移制备方法，构筑了3到9层的高质量菱方石墨烯器件。利用扫描隧道显微镜和隧道谱微观测量技术，在菱方多层石墨烯中发现了随层数增加而增强的平带结构和层间耦合强度，直接证实了理论预测。同时，利用原位背栅电压调控技术，在液氮温度(77K)下发现电子关联诱导的~50-80 meV平带劈裂现象，直接证实了该体系显著的关联量子态的存在。进一步研究发现，厚层菱方石墨烯的关联态显著增强，并在6层中达到最大值。他们由此提出菱方6层石墨烯具有该体系最强的电子关联效应。物电院张世豪副教授通过平均场Hartree–Fock理论计算，很好地复现了相关实验结果。该研究为菱方石墨烯电子性质的层依赖性提供了深入理解，为研究高鲁棒性、易探测的强关联量子态提供了合适的平台。

相关研究成果以“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”为题在线发表在Nature Nanotechnology杂志上。湖南大学物理与微电子科学学院为该工作第一完成单位，物电院博士生张扬为第一作者，周月迎硕士、张世豪副教授、硕士生蔡浩为共同第一作者。河北师范大学的王文晓副教授、湖南大学秦志辉教授和殷隆晶教授为通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、湖南省优秀青年基金、湖南省科技创新计划和湖南大学的经费支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01822-y

来源：物电院

责任编辑：文亦佳