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　　近来，上海科技大学物质学院刘健鹏课题组在石墨烯-过渡金属化合物异质结系统中的协同相关效应和拓扑性质研讨方面获得重要发展，相关效果发表于世界学术期刊《天然·通讯》（Nature Communications）。

　　石墨烯——由碳原子以蜂窝状摆放而成的单层二维资料——凭仗其一起的低能线性能量色散和拓扑非平凡的电子波函数，展现出各种一起物性。试验室中，科学家们通常将石墨烯放置于绝缘衬底上，或将石墨烯上下两头用绝缘层封装，以便使用门电压调控其电学性质。刘健鹏课题组立异提出：当石墨烯中的狄拉克点与绝缘衬底中的能带带边能量挨近时，层间电荷搬运和库仑相互效果效应将使这类异质结系统中衍生出原本在单层中不可能完结的协同相关物态。在栅电极操控下，石墨烯狄拉克点的能量挨近于绝缘衬底的导带（或价带）时，石墨烯中的电子能经过隧穿效应搬运到衬底中。当衬底导带中的搬运电子密度尚低时，电子间长程库仑相互效果会引发平移对称性的自发性损坏，涌现出具有长程电荷序的电子晶身形（图1a），即维格纳晶体（Wigner Crystal）。衬底中构成的长程电荷序会经过层间库仑相互效果，而给石墨烯中的电子施加超晶格电势场，将石墨烯的能带折叠到超晶格微型布里渊区中，构成子能带（subbands），并减小狄拉克点邻近的费米速度，然后按捺电子动能，促进石墨烯层内的电子间相互效果效应。本理论作业经过树立笼统物理模型与详尽的理论核算证明了上述机制的可行性。

　　研讨发现接连模型可有用解说上述景象：在联合重整化群的非束缚Hartree-Fock近似下，石墨烯会在电中性点由层内电子间库仑效果自发地翻开能隙(图2a)，并明显地添加狄拉克点邻近的费米速度乃至两倍以上(图2b)，然后愈加利于量子霍尔效应的观测。该理论定量地解说了之前山西大学韩拯课题组和北京大学叶堉课题组在石墨烯-CrOCl异质结中的试验现象（Nature Nanotechnology17, 1272 (2022)）：不只弄清了该异质结中在高温（~100 K）和极低磁场(~0.1 T) 下却任旧存在的量子霍尔效应的产生机制，并且完美重现了能隙巨细随搬运电子密度的改动行为(图2c)。

　　图2.在超晶格电势场下的石墨烯构成子能带，并在层内电子间库仑相互效果下在狄拉克点翻开能隙，一起明显地增强费米速度

　　更为风趣的是，研讨之后发现石墨烯中构成的绝缘态与衬底中构成的电子晶体相得益彰。这在某种程度上预示着电子晶体的存在协助石墨烯翻开能隙的一起，后者构成的相关绝缘态能反过来经过层间库仑效果安稳电子晶体，下降其凝集能。因为翻开能隙的石墨烯和电子晶体均有着相同周期的电荷密度空间调制，两者便会经过构成反相位的互锁结构，即一层电荷密度峰对应着另一层电荷密度谷，来下降总能，使维格纳晶体量子消融的临界电子浓度大幅度升高（图3a,b）。此外，课题组使用密度泛函理论榜首性原理核算找到了CrOCl、CrI3、WS2、WSe2、MoTe2、PbO、AgScP2S6等15种可选绝缘衬底资料来完结以上协同相关效应，为相关试验研讨供给了新思路和新途径。这其间，其他研讨者也曾经在CrI3-石墨烯异质结中观测到相似的试验现象（NanoLetters22, 8495 (2022)），进一步验证了该理论的正确性。

　　研讨进一步发现，改动电子晶体超晶格的晶胞巨细和非各向异性能调制石墨烯中子能带的拓扑性质，产生非零的谷陈数。风趣的是，当增大超晶格各项异性时，在狄拉克点处短边方向的费米速度会下降乃至彻底变平，然后导带和价带之间产生穿插。而每次能带穿插就会产生一次拓扑相变，能带的陈数便会产生改动。

　　图3.石墨烯和衬底中的电子晶体的电荷密度空间调制构成反相位互锁结构，然后经过优化层间库仑耦合来下降系统总能量

　　作为研讨库仑耦合的异质结系统中多体物理问题的先行者之一，刘健鹏课题组深化探究了由栅电极对齐能带的石墨烯-绝缘体异质结中涌现出的协同相关绝缘态和拓扑非平凡性质，从理论上提出了经过层间库仑相互效果来安稳电子晶体的可行性，并经过高通量榜首性原理核算供给了多种资料候选资料。这将进一步拓展二维资料异质结方向的研讨，有助于发现更多的别致物理现象。

　　上海科技大学物质学院刘健鹏课题组博士后吕昕为榜首作者，前博士后（现湖南大学副教授）张世豪、2022级博士研讨生郭忠青为一起作者，刘健鹏教授为通讯作者。合作者包含山西大学韩拯教授课题组和北京大学叶堉教授课题组。上海科技大学为榜首完结单位和通讯单位。