何林课题组在ABC堆垛的三层石墨烯中观察到新奇的对称性破缺态和电子强相互作用

近年来，寻找并研究具有低能平带结构的材料体系引起了科学家们极大的关注。在这种体系的平带中，电子的有效质量急剧增大，电子的库伦能将远大于电子的动能，电子-电子相互作用效应变得十分显著。因此，许多新奇的强关联现象，例如，分数量子霍尔效应、铁磁和超导等，将有望在这种材料体系中出现。最近，一些具有平带结构的体系陆续被提出与发现，例如Kagome与Lieb格子体系和魔转角双层石墨烯体系等。然而，上述这些体系都需要在晶格结构上进行特殊的设计，才能得到理想的平带（例如魔转角双层石墨烯需要严格控制双层之间的转角）。ABC堆垛三层石墨烯的电子结构在电中性点处自然地就存在着近乎无色散的平带结构，因此它是一种十分理想的研究强关联物理的材料体系。

过去几年，何林教授在北京师范大学985经费支持下在物理系搭建了极低温超高真空强磁场扫描隧道显微镜系统，并长期致力于石墨烯中新奇物理性质的研究，取得了一系列突破性成果。他们通过原子级空间分辨和极高能量分辨的扫描隧道显微镜，成功探测了ABC三层石墨烯的低能平带结构，并首次利用扫描隧道谱研究了ABC三层石墨烯特殊的朗道量子化行为。这一系列工作为后续在ABC三层石墨烯强关联方面的研究取得突破性进展奠定了良好的基础。最近，他们通过更高能量分辨率的朗道能级谱测量，率先研究了高质量ABC三层石墨烯在强磁场下的行为，观察到了新奇的对称性破缺态：体系的谷和自旋简并度在强磁场下相继被解除。同时，他们还在该体系中观察到了强的电子-电子相互作用（图1）。该工作表明，ABC三层石墨烯中有许多有趣的对称性破缺态和新奇的电子关联效应值得进一步深入研究。

图1. (a) ABC三层石墨烯不同磁场下的朗道能级谱；(b)和(c) 朗道能级自旋劈裂与磁场、能级指数和填充状态的依赖关系；(d) g因子与朗道能级的依赖；(e) 实验发现的ABC三层石墨烯中n = (0,1,2)和n = 3朗道能级对称性破缺示意图。

上述研究成果近日刊发在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上。何林教授2017年毕业的博士生殷隆晶（目前为湖南大学物理与微电子科学学院副教授）为文章的第一作者，何林教授为通讯作者。何林课题组的博士生李思宇、张钰、郭子涵也参与了该项工作。

这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、中组部“万人计划”青年拔尖人才支持计划、教育部青年长江学者支持计划、北京师范大学经费以及湖南省自然科学基金和湖南大学经费的支持。

文章详细信息：Yin, L.-J.; Shi, L.-J.; Li, S.-Y.; Zhang, Y.; Guo, Z.-H. & He, L.* "High-magnetic-field Tunneling Spectra of ABC-stacked Trilayer Graphene on Graphite", Physical Review Letters 122, 146802 (2019). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.146802