中国科学技术大学王兵/李群祥/马传许团队Phys. Rev. B: 一维扶手椅型石墨烯反点晶格中的拓扑平带

2024年9月18日，Phys. Rev. B在线发表了中国科学技术大学王兵教授、李群祥教授和马传许研究员课题组的研究论文，题目为《Designer topological flat bands in one-dimensional armchair graphene antidot lattices》，论文的第一作者为Jianing Wang和Weiwei Chen。

近年来，利用合理设计的前驱体分子在表面合成具有原子精度和高度可调宽度和边缘结构的石墨烯纳米带（GNRs）为工程设计一维非平庸拓扑提供了一个有前景的平台，在量子电子学和量子信息处理方面具有很大的潜力。启发式地，波函数叠加的量子限域导致奇数碳原子宽度的扶手椅型GNRs（N_O AGNRs）的量子力学相消干涉效应，产生局域态（称为“类Wannier轨道态”）。虽然原子定域的类Wannier轨道会导致平带，但这种平带在拓扑上是微不足道的。更有趣的是，理论化的拓扑平带具有空间扩展态，这有望促进有趣的强关联现象，如非常规超导性。因此，在N_O AGNRs中引入超晶格定制扩展态来创建拓扑平带具有重要的意义。

在此研究中，作者报道了一种在一维扶手椅型石墨烯反点晶格中实现拓扑平带的可行策略。量子相消干涉效应导致大量淬灭的反点内跳跃，其值接近于零，从而产生具有非平庸拓扑的平带，正如极端条件下有效的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型所揭示的那样。作为概念验证，展示了在表面合成周期性双空位型反点的多孔七碳宽扶手椅石墨烯纳米带中的方法，并通过应变和结构工程展示了具有高可调性设计拓扑平带的鲁棒平坦性，这是通过将紧束缚（TB）和密度泛函理论（DFT）计算与扫描探针显微镜（SPM）测量相结合进行研究的。研究表明这种可用的一维石墨烯纳米带可以为在强关联性和拓扑融合的新物理提供丰富的平台，为拓扑材料领域的研究及其在量子器件中的潜在应用开辟了新的途径。

图1 (a) 石墨烯反点和具有奇数(N_O)碳原子宽度的一维扶手椅型石墨烯反点晶格的结构模型；(b-c) TB计算九碳宽扶手椅型石墨烯反点的晶格能带结构和结构模型，以及在±1.24和±2.70 eV处的电荷密度分布

图2 (a-b) DV7-AGNR的STM形貌图像和nc AFM图像；(c) dI/dV谱；(d-e) 实验dI/dV图和相应的模拟LDOS图；(f) DFT计算DV7-AGNR的能带结构；(g-h) DFT模拟波函数的俯视图和侧视图，以及沿带方向的平均电荷密度|ψ|²；(i) TB计算具有两个反点的DV7-AGNR超胞的能带结构。(j) 电荷密度分布

图3 (a) 在独立DV7-AGNR中沿带轴施加拉伸应变和空穴掺杂示意图；(b) ε=2%、4%和6%拉伸应变下的DFT能带结构；(c) ε=6%、每2a超胞掺杂两个空穴的自旋分辨DFT能带结构；(d) ε=2%和4%组成结的DFT能带结构；(e) 计算的轨道电荷密度

图4 (a) DV7-AGNR的TB结构；(b) t’= 0.85t的TB能带结构；(c-f) 在晶格动量k=0, k=π/4, k=π/2, k=3π/4时费米能级以下A和B点拓扑平带的波函数振幅(径向坐标)和相位(角坐标)图

图5 一维十三碳宽扶手椅型石墨烯反点晶格的结构示意图和相应的TB计算能带结构

论文链接

Wang, J., Chen, W., Wang, Z. et al. Designer topological flat bands in one-dimensional armchair graphene antidot lattices. Phys. Rev. B, 2024, 10.1103/PhysRevB.110.115138

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1. Rizzo, D.J., Veber, G., Cao, T. et al. Topological band engineering of graphene nanoribbons. Nature, 2018, 560, 204–208. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0376-8
2. Gröning, O., Wang, S., Yao, X. et al. Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons. Nature, 2018, 560, 209–213. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0375-9
3. Li, J., Sanz, S., Merino-Díez, N. et al. Topological phase transition in chiral graphene nanoribbons: from edge bands to end states. Nat. Commun., 2021, 12, 5538. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25688-z