何林课题组在二维材料中实现可调Kagome晶格

Kagome晶格因其独特的几何阻挫构型，能够诱导出电子平带、范霍夫奇点及狄拉克点等特殊能带结构。在平带中，电子动能被显著抑制，其能量尺度远小于电子间的库仑相互作用能，从而使体系极易产生关联绝缘态、磁性、超导及非平庸拓扑相等一系列新奇量子物态[1,2]。因此，Kagome晶格长期以来被认为是研究强关联电子物理的重要平台。然而，如何在真实材料体系中实现高质量、可调控的Kagome晶格，并进一步实现其能带结构的灵活调节，仍然是凝聚态物理领域的重要挑战。

近日，北京师范大学物理与天文学院/高研院何林教授课题组在该方向取得系列进展，提出两种全新的Kagome晶格构筑方案：一是在小转角双层-双层石墨烯体系中利用结构重构诱导电子Kagome晶格；二是在2H-MoTe2体系中通过扫描隧道显微镜（STM）针尖脉冲构筑周期性镜像孪晶网络，实现可调人工Kagome晶格，为探索强关联量子态提供了全新实验平台。

1. 结构重构诱导的电子Kagome晶格

在第一项工作中，研究团队系统研究了小转角双层-双层石墨烯中的结构重构效应，首次在实验上观测到由结构重构驱动的具有低能平带的电子Kagome晶格。

在二维范德华莫尔体系中，电子能带结构对层间转角与结构重构均高度敏感[3,4]。以往研究主要聚焦于转角调控所诱导的电子相，而结构重构对电子态的影响长期缺乏系统认识，尤其在小角度大莫尔周期体系中，晶格弛豫往往显著偏离刚性旋转模型，从而产生新的电子行为。在这项研究中，研究团队结合高分辨STM实验与紧束缚理论计算，系统探究了小转角双层-双层石墨烯中的结构重构及其对电子结构的影响。研究发现，结构重构能够在该体系中诱导出具有低能平带特征的电子Kagome晶格。进一步地，通过引入微小的转角变化，还可进一步实现并直接成像电子Kagome晶格向电子呼吸型Kagome晶格的演变。这一发现不仅揭示了结构重构在莫尔体系中的关键作用，也证明了小转角双层-双层石墨烯体系可作为探索Kagome晶格中强关联电子态的一个独特且极具潜力的材料平台。

相关成果以“Structural reconstruction-induced electronic Kagome lattices with lowenergy flat bands in twisted double bilayer graphene ” 为题发表在《Science Bulletin》上[5]。北京师范大学张默涵博士为论文第一作者，武汉大学博士生张亚磊为该工作提供理论计算，为并列第一作者。北京师范大学任雅宁副教授、武汉大学袁声军教授和北京师范大学何林教授为论文通讯作者。

图1. 在0.68° 双层-双层石墨烯中观测到的电子Kagome晶格（左图）及其理论计算得到的低能Kagome能带结构（右图）

2. 在周期性镜像孪晶中利用量子受限态构筑Kagome晶格

在第二项研究中，研究团队提出了一种基于量子受限“人工原子”的Kagome晶格构筑方法，在2H-MoTe2中通过STM针尖脉冲原位构筑周期性镜像孪晶结构，实现了人工Kagome晶格的可控设计。

研究表明，每一条镜像孪晶界都表现出清晰的量子受限态，可视为具有离散能级的“人工原子”[6,7]。当这些孪晶单元以周期性方式排列时，可作为基本构筑单元形成可调晶格常数的Kagome结构。通过调节孪晶单元长度，可以实现对Kagome结构晶格参数与耦合强度的连续调控。STM实验与第一性原理计算的结果表明这些人工原子中不同波长的轨道会发生杂化，从而形成呼吸型Kagome能带。这一体系为构筑可调控Kagome能带提供了新的实现路径，并为研究Kagome体系中的非平庸电子态与强关联效应提供了理想平台。

相关成果近日以“Building tailorable Kagome lattices with quantum-confined orbitals in periodic mirror twin boundaries” 为题发表在《Science Bulletin》上[8]。 北京师范大学博士生张若寒为论文第一作者，北京大学博士生潘江辉为该工作提供理论计算，为并列第一作者。北京师范大学任雅宁副教授、北京大学冯济教授和北京师范大学何林教授为论文通讯作者。

图2. 周期性镜像孪晶构筑的Kagome晶格及其人工Kagome能带随孪晶长度的演化

两项工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研究计划、博士后创新人才支持计划以及北京师范大学，武汉大学和北京大学的经费支持。

参考文献

[1] Syôzi I. Statistics of kagomé lattice. Prog. Theor. Phys. 6, 306-308, 1951.

[2] Wang, Y., Wu, H., McCandless, G. T., Chan, J. Y. & Ali, M. N. Quantum states and intertwining phases in kagome materials. Nat. Rev. Phys. 5, 635-658, 2023.

[3] Andrei, E. Y. & MacDonald, A. H. Graphene bilayers with a twist. Nat. Mater. 19, 1265-1275, 2020.

[4] Huang, S., Kim, K., Efimkin, D. K., Lovorn, T., Taniguchi, T., Watanabe, K., MacDonald, A. H., Tutuc, E. & LeRoy, B. J. Topologically Protected Helical States in Minimally Twisted Bilayer Graphene. Phys. Rev. Lett. 121, 037702, 2018.

[5] Zhang, M.-H., Zhang, Y., Hao, C.-Y., Guo, Z.-H., Yan, C., Zhao, Y.-X., Ren, Y.-N., Gao, J.-H., Yuan, S. & He, L. Structural reconstruction-induced electronic Kagome lattices with low-energy flat bands in twisted double bilayer graphene. Sci. Bull. 71, 240-244, 2026.

[6] Mao, Y., Ren, H.-Y., Zhou, X.-F., Sheng, H., Xiao, Y.-H., Zhuang, Y.-C., Ren, Y.-N., He, L. & Sun, Q.-F. Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms. Nature 639, 73-78, 2025.

[7] Batzill, M. Mirror twin grain boundaries in molybdenum dichalcogenides. J. Phys.: Condens. Matter 30, 493001, 2018.

[8] Zhang, R.-H., Pan, J.-H., Zhao, Y.-X., Hao, C.-Y., Lv, K., Zhang, M.-H., Wang, X.-Y., Ren, Y.-N., Feng, J. & He, L. Building tailorable Kagome lattices with quantum-confined orbitals in periodic mirror twin boundaries. Sci. Bull. 71, 2954-2958, 2026.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325011648

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927326005189?via%3Dihub