重磅！湖南大学，Nature Nanotechnology！

研究背景

菱形石墨烯（RG）是由ABC堆叠形成的石墨烯材料，因其在电荷中性点（CNP）处呈现平坦的能带结构而成为研究热点。RG材料的低能扁带具有独特的能量色散特性，随着层数的增加，能带逐渐变得更加平坦，这为研究强关联物理现象提供了理想平台。然而，RG多层材料中的关联效应及其层依赖性仍未被充分探讨，尤其是在不同层数的RG中，电子结构和关联态的演变尚不明确。因此，如何理解和利用RG多层中的电子关联效应成为当前研究的重要挑战。

成果简介

有鉴于此，湖南大学殷隆晶教授、秦志辉教授以及河北师范大学王文晓教授等人携手在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的最新论文。研究者们通过扫描隧道显微镜（STM）和谱学（STS）技术，深入探讨了从三层到九层的RG材料的电子结构和关联态。实验结果表明，RG多层材料的电子结构在层数增加时呈现明显的层依赖性，其中低能扁带随着层数增多而变得更加平坦。

此外，研究还发现，RG多层材料中存在显著的层间耦合效应，尤其是在六层RG中，关联态的强度达到了最大值。这些发现验证了理论预测，表明RG材料是一种具有高度可接近性和稳定性的强关联物理系统。通过这些研究，科学家不仅深入理解了RG多层材料的层依赖性，还为强关联物理的进一步研究提供了宝贵的实验依据。

研究亮点

（1）实验首次观察到三至九层菱形石墨烯（RG）多层材料中的层依赖电子结构和关联效应，得到了RG不同层数下的低能扁带及层间耦合强度的实验数据。

（2）实验通过扫描隧道显微镜（STM）和谱学（STS）技术，获得了不同层数RG的隧道谱，展示了在电荷中性点（CNP）处扁带引起的尖锐态密度（DOS）峰，以及由远程带引起的DOS峰。这些结果为层依赖电子结构的研究提供了直接证据。

（3）通过对不同层数RG的填充变化STS测量，发现低能扁带在部分填充时发生显著分裂，分裂能量范围从50 meV到80 meV，表明RG多层材料中存在由相互作用引起的强关联态。

（4）实验还表明，RG中的关联态强度随着层数的增加而增强，并在六层RG中达到了最大值，直接验证了理论预测，进一步证明RG是一个研究强关联系统的理想平台。

图文解读

图 1. 菱形多层石墨烯的形貌和光谱

图 2. 菱面体多层石墨烯的能带结构演变

图 3. 平带 LDOS 峰的掺杂依赖性

图 4. 电子相关性的层依赖性

结论展望

本文的研究揭示了多层石墨烯(RG)的层依赖性相关态，特别是其在低温下的表现，提供了新的研究方向。首先，作者发现6层石墨烯在液氮温度下展现出层增强的相关态，最大相互作用强度的出现为理解多层RG的带结构和相关相提供了宝贵信息，说明多层结构可能为研究新型超导或其他多体物理现象提供了理想平台。其次，层间跃迁和局部库伦相互作用对带隙的影响，使得该系统具有层次化的物理特性，这一发现对理解复杂材料的电子相互作用至关重要。

同时，作者发现即便在常规掺杂情况下，3至10层石墨烯展现出更强的相关效应，提出了与热波动竞争的可能性，暗示多层石墨烯可能在低温下表现出稳健的集体行为。因此，本文的研究不仅为多层石墨烯的物理性质提供了深入的理解，也为未来探索非常规超导及其他新型集体现象提供了新的思路和可能的实验平台。

文献信息

Zhang, Y., Zhou, YY., Zhang, S. et al. Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024).

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