在石墨烯体系中，应变诱导的赝磁场可以模拟真实磁场，在零磁场下产生类似于真实磁场下的朗道量子化，形成的朗道能级称之为赝朗道能级。通过调控石墨烯的应变结构，赝磁场大小可以达到数百特斯拉，这为石墨烯的电学特性调控提供了一种非常有效的新方法。 更有趣的是，赝磁场具有很多真实磁场不具备的特点，因此我们基于赝磁场能实现真实磁场无法实现的量子物态。在最近的工作中，何林教授课题组与合作者证明可以利用赝朗道能级作为结构单元来构建新奇量子物态。
实验上，何林教授课题组通过刻蚀技术得到了悬浮着的、纳米尺度的单层石墨烯一维沟道，如图1(a-e) 所示。测量发现这些纳米尺度的一维悬浮石墨烯中形成了交替的准周期应变结构，如图1(g)。通过扫描隧道谱测量，他们在褶皱形变较大的位置测量到了应变诱导的贋朗道能级态，并发现相邻应变结构的零赝朗道能级之间发生了相互耦合，使能谱发生了展宽及劈裂，如图1(i)所示。进一步，他们通过扫描隧道显微镜对这些耦合的零赝朗道能级进行了实空间直接观测，探测到了蜿蜒前行的一维蛇形图案，如图1(j)左图所示。相关结果也得到了理论支持，理论合作者通过紧束缚计算方法重现了耦合的零赝朗道能级能谱特征以及态密度实空间结果，如图1(j)右图所示。 这一工作展示了利用赝朗道能级作为结构单元来构建新奇量子物态的可能性。通过严格控制应变结构的位置，科学家们有望基于这一全新方法在石墨烯中实现Su-Schrieffer-Heeger模型描述的多种量子物态、Lieb 晶格和Kagome晶格等。
相关成果近日以“Realizing One-dimensional Electronic States in Graphene via Coupled Zeroth Pseudo-Landau Levels ”为题刊发在《Physical Review Letters》上。何林教授课题组刘亦文博士为第一作者，为该工作提供了理论计算的武汉大学的詹真博士为文章的共同第一作者，武汉大学的袁声军教授和北京师范大学的何林教授为本文通讯作者。
这项工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划以及北京师范大学和武汉大学的经费支持。本工作在武汉大学超级计算中心的超级计算系统上进行了数值计算。
图1 (a,b)利用金属颗粒在多层石墨烯上刻蚀的两种一维沟道示意图。(c,e)实验获得的两种纳米尺度一维沟道结构。(d,f)两种一维沟道结构对应的边界原子分辨图及其傅里叶变换结果。(g)在具有单层悬浮石墨烯一维沟道上观察到了准周期应变结构；h图展示一维准周期应变结构的三维图像。(i)不同位置的扫描隧道谱，展示在应变结构中形成了赝朗道能级。零朗道能级的劈裂及展宽是距离较近应变结构赝朗道能级之间强耦合的结果。(j)实验测量(左)及理论计算(右)得到的零朗道能级电子态在一维沟道结构中的实空间分布图，其能量在图中右上角标注。可以清晰看到在零赝朗道能级对应的能量，由于电子态耦合出现了清晰的一维蛇形电子态分布。
论文信息：
Y.-W. Liu, Z. Zhan, Z. Wu, C. Yan, S. Yuan*, L. He*, “Realizing one-dimensional states in graphene via periodically coupled zeroth pseudo-Landau levels”. Phys. Rev. Lett. Vol: 129, 056803 (2022).
URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.056803
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.056803
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