北京时间2023年7月19日，南京航空航天大学郭万林院士团队的殷俊教授与英国曼彻斯特大学Artem Mishchenko教授等合作在Nature期刊上发表了题为“Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”的研究成果。
该研究发现石墨（三维半金属）的电子态可通过表面周期势来调控。石墨/氮化硼界面莫尔超晶格周期势不仅会导致石墨表面态丰富的Lifshitz转变和Brown-Zak量子振荡，还会导致石墨体态电子的分形量子霍尔效应（fractal quantum Hall effect）。该工作将当前广泛研究的二维扭转电子学效应拓展至了三维材料体系。
论文通讯作者是殷俊、Vladimir I. Fal’ko、Artem Mishchenko，第一作者是Ciaran Mullan、Sergey Slizovskiy、殷俊。
通过引入界面莫尔纹在晶格周期上叠加长波长周期势，石墨烯等二维材料的电子态可进行精细设计和调控。这一扭转电子学策略使得人们发现了一系列新颖的物理效应，包括扭转双层石墨烯中的强关联和超导性等。但由于电场屏蔽效应，扭转电子学效应通常被认为只会发生在二维体系中。
在该工作中，殷俊等人制备了基于氮化硼/石墨/氮化硼范德华异质结的电输运器件，其中石墨厚度为数十层，呈现体态石墨的输运特性。表面静电掺杂会在石墨表面引入表面态。通过电输运测试发现，石墨/氮化硼界面的莫尔周期势会显著调控其表面态，使得表面态随着静电掺杂浓度的改变出现丰富的Lifshitz转变。
图1：石墨/氮化硼界面的莫尔超晶格及其表面态的Lifshitz转变。
磁场、高温（60 K，抑制Landau量子化）条件下，受界面莫尔周期势调制的表面态出现了显著Brown-Zak量子振荡。Lifshitz转变和Brown-Zak量子振荡不会出现在在未对齐的石墨/氮化硼界面处的表面态，即使另外一面石墨/氮化硼界面是对齐的。这是由于石墨的静电屏蔽深度仅2-3原子层，使得上下两个表面态相互独立。
图2：石墨/氮化硼界面表面态的Brown-Zak振荡。
令人惊讶的是，器件在低温（30-300 mK）条件下呈现出清晰的霍夫斯塔特蝴蝶（Hofstadter’s butterfly）及分形量子霍尔效应。这一效应不仅发生在表面态中，更在体态电子中可以观测到。其贯穿了整个石墨厚度，同时依赖于顶栅和底栅电极的调制。体块石墨电子的分形态呈现了众多不同于二维石墨烯体系的行为。譬如，体块石墨的电导可以通过引入界面莫尔周期势实现超一个量级大幅调制；超过特定填充因子阈值（ν = -9 and 12）后，量子霍尔效应的分形态会消失。这些暗示了这一新型莫尔系统中存在大量异于经典二维体系的奇异物理效应。
图3：石墨中的分形量子霍尔效应。
该工作证明了石墨（乃至其他半金属和掺杂半导体）中的表面态可以被表面莫尔周期势显著调控。氮化硼和石墨之间的莫尔周期势促使石墨表面态发生Lifshitz转变、Brown-Zak振荡和Hofstadter表面态。更为重要的是，莫尔表面态也使得该团队前期发现的有限厚度石墨中的2.5维量子霍尔效应（Nature Phys. 15, 437, 2019）发生分形化，呈现2.5维分形量子霍尔效应。该研究展示了通过表界面调控三维体系电子输运行为的可行性，为调控块体材料的电子态提供了全新途径。
该研究工作获得国家自然科学基金委原创探索计划项目（12150002）等项目的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06264-5
